Su adsorpsiyon kapasitesi nispeten yüksek zeolitler ve kaplamalarının hazırlanması
Preparation of zeolites and their coatings with relatively high water adsorption capacities
Yazar: ZÜLFİYE DAĞLI
Danışman: PROF. DR. MELKON TATLIER ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇİĞDEM TAŞDELEN YÜCEDAĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Zeolitler = Zeolites

Özet:
Zeolitler hem doğada bulunabilen hem de sentetik olarak üretilebilen mikro gözenekli malzemelerdir. Zeolitlerin yüksek yüzey alanına sahip olması, homojen gözenek dağılımı, seçici geçirgen özellikleri, iyon değişimi yapabilmeleri, hidrofilikliği veya hidrofobikliğinin ayarlanabilmesi, birçok alanda kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Zeolitler üstün özellikleri sayesinde petrokimyadan biyokimyaya pek çok alanda kullanılabilmektedir. Bu malzemeler, gözenekli yapıları sayesinde geniş yüzey alanına sahip olup, adsorban olarak kullanımları da yaygındır.
Enerji kaynaklarındaki azalma ve fosil yakıt kullanımından kaynaklı emisyonların azaltılmasına yönelik politikalar nedeniyle, enerji ile ilgili araştırmalar çevreyle dost teknolojilere yönelmiştir. Adsorpsiyon ısı pompası hem ısıtma hem de soğutma amaçlı kullanılabildiği ve güneş enerjisi, atık ısı ve jeotermal enerjilerinden faydalanabildiği için alternatif bir enerji sistemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Adsorpsiyon ısı pompalarının performansını etkileyen parametrelerden birisi kullanılan adsorpsiyon çiftidir. Fiziksel adsorpsiyonun etkin bir şekilde gerçekleşebilmesi için en uygun adsorban-adsorbat çiftinin kullanılması gerekmektedir. Adsorpsiyon ısı pompalarında en yaygın kullanılan adsorpsiyon çiftlerinden birisi zeolit-sudur. Zeolitlerin adsorpsiyon ısı pompalarında kullanılmasında en önemli performans göstergeleri, su adsorpsiyon kapasiteleri, hidrofilik/hidrofobiklikleri ve hidrotermal stabiliteleridir. Bu kriterler, kullanılan zeolitlerin kimyasal bileşimi, iyon tipi ve kafes yapısı ile doğrudan ilişkilidir.
Bu çalışmada, adsorpsiyon ısı pompalarında kullanmak üzere, su tutma kapasitesi nispeten yüksek zeolitlerin kaplamalarının hidrotermal sentez yoluyla hazırlanması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, EMT, FAU (X,Y) ve GIS (P) tipi zeolitler göz önüne alınmış ve doğrudan ısıtma yöntemi ile paslanmaz çelik yüzeyleri kaplanmıştır. Doğrudan ısıtma yöntemi ile sentez çözeltisi değil de doğrudan kaplanacak metal yüzeyi ısıtılmakta ve bu şekilde, oldukça metastabil olan zeolitlerde oluşabilecek faz dönüşümleri uzun süreler boyunca engellenebilmektedir. Zeolitler, adsorpsiyon ısı pompalarında toz/pelet formu yerine kaplama olarak kullanılmaları durumunda, adsorban metal teması arttırılarak ısı iletim kısıtlamaları giderilebilmekte ve kaplama kalınlığı ayarlanarak optimum kaplama kalınlığı kullanılabilmekte ve bu durumda söz konusu cihazlar için büyük bir avantaj sağlamaktadır. Karşılaştırma yapılabilmesi için geleneksel sentez yöntemi ile de zeolit kaplamaları hazırlanmıştır. Literatürdeki çalışmalar ışığında farklı sentez koşulları kullanılarak hazırlanan kaplamalar, X-ışını kırınımı (XRD), termogravimetri (TG), alan taramalı elektron mikroskopisi (FEGSEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) yöntemleri ile karakterize edilmiştir.   XRD analizi ile zeolit kaplamalarında oluşan fazlar tanımlanmış, TG analizi ile kaplamaların su tutma kapasiteleri, kristalinite ve hidrofilik/hidrofobiklikleri belirlenmiş, FEGSEM analizi ile morfolojileri incelenmiş ve EDX analizi ile kimyasal bileşimleri belirlenmiştir.
EMT zeoliti oldukça metastabil bir zeolit olduğundan geleneksel sentez yöntemleriyle organik yönlendirici kullanmadan sentezlenmesi oldukça zordur. Literatürde, organik yönlendirici kullanılarak gerçekleştirilen birçok EMT zeoliti sentez çalışması mevcuttur. Organik yönlendiricinin  pahalı ve çevreye zararlı olması ve sentez sonrasında zeolit yapısından uzaklaştırılması sırasında kristal yapısında ve kaplama formunda ise stabilitesinde oluşan olumsuz değişiklikler nedeniyle, kullanılan organik yönlendirici miktarı azaltılarak veya hiç kullanılmadan EMT sentezlenmesi için bazı çalışmalar yapılmıştır. Ancak, organik yönlendirici kullanmadan pratikte işe yarayabilecek kristalin EMT zeolitinin elde edilmesinin zor olduğu görülmüştür. Bu zeolitin, kaplama olarak hazırlanması için ise kayda değer bir çalışma gerçekleştirilmemiştir. Bu tez çalışmasında ise, doğrudan ısıtma yöntemiyle, uygun sıcaklık, süre ve reaksiyon karışımı bileşimi kullanılarak, sentez sırasında oluşabilecek faz dönüşümleri olabildiğince engellenmiş ve organik yönlendirici kullanılmadan oldukça kristalin EMT (ZSM-3) zeoliti sentezlenebilmiştir. Farklı molar reaksiyon karışımı bileşimleri kullanılarak yapılan çalışmada, en kristalin EMT fazı, bileşimi 18Na2O: Al2O3: 15SiO2: 324H2O olan reaksiyon karışımı ile 160 oC ısıtıcı direnç sıcaklığı, 30 C su banyosu sıcaklığı, 24 saatlik sentez süresi kullanılması ve sonrasında sıcaklığı 50 oC'a çıkarılan su banyosunda 1 saatlik ek sentez uygulanmasıyla elde edilmiştir. Ek işlem uygulanmasıyla kristalinitede dikkate değer bir artış oluşmuştur. Bu kaplamanın nispeten düşük sıcaklıklarda su kapasitesinin oldukça yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca, doğrudan ısıtma yöntemi uygulandığında, kaplama kalınlıklarının geleneksel sentez yöntemine göre, 70 kata kadar artış gösterdiği görülmüştür.
Fojasit (FAU) kaplamalarının sentezi için, daha önceki gözlemlere dayanarak, 42.5 Na2O: 1 Al2O3:17 SiO2: 850 H2O reaksiyon karışımı bileşimi ile çalışılmıştır. Geleneksel sentez ve doğrudan ısıtma yöntemleri kullanılarak hazırlanan kaplamaların faz analiz sonuçları incelendiğinde, genellikle, fojasit fazının baskın olduğu karışık fazlar elde edilmiştir. Geleneksel sentez ile Y tipi fojasit oluşurken, doğrudan ısıtma yöntemi kullanıldığında, X tipi fojasit elde edildiği görülmüştür. Söz konusu reaksiyon karışımı bileşimi ile de doğrudan ısıtma yöntemi uygulandığında ve belirli bir sentez koşulunda, saf ve kristalin EMT zeoliti kaplaması hazırlanabilmiştir. Bazı kaplamalarda ise, EMT zeolitinin fojasit ve farklı zeolitlerle karışık faz halinde bulunduğu tespit edilmiştir. Isıtıcı direnç sıcaklığı yükseltildiğinde, genellikle, EMT fazı kaybolmuştur. Geleneksel sentez yöntemiyle hazırlanan kaplamaların kalınlıkları 30 m'nin altında kalırken, benzer sentez şartlarında, doğrudan ısıtma yöntemi kullanıldığında, 110-150 m arasında değişmiştir. EMT fazının nispeten hidrofobik yapısı nedeniyle EMT içeren fojasit kaplamalarının, 100 oC'taki su kapasitelerinin nispeten yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Genel olarak, doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan kaplamaların 100 oC'taki su kapasitelerinin, geleneksel sentez yöntemi ile hazırlananlara göre daha yüksek olduğu görülmüştür. 
Bu tez çalışmasında, P (GIS) zeolitinin adsorpsiyonlu ısı pompalarında kullanılabilirliğinin araştırılması için de sentez çalışmaları yapılmıştır. Geleneksel yöntemle hazırlanan kaplamaların faz analizi ve su kapasitelerinin ölçülmesi sonucunda, adsorpsiyon ısı pompalarında kullanılmaları için kapasiteleri ve hidrofobikliklerinin yeterli olmadığı sonucuna varılmıştır.
Adsorpsiyonlu ısı pompaları için yüksek su kapasitesine sahip zeolitler eldesi amacıyla yapılan çalışmalarda, hazırlanan EMT ve FAU zeolit kaplamalarına Li ve Mg iyon değişimi de uygulanmış ve bazı durumlarda, düşük sıcaklık ve toplam su kapasitelerinin bu yöntemle de arttırılabileceği gösterilmiştir.
Bu çalışmada, doğrudan ısıtma yöntemi kullanıldığında, EMT ve FAU tipi zeolitlerin paslanmaz çelik yüzeyler üzerinde kaplamalarının hazırlanabileceği ve uygun sentez koşulları kullanıldığında, bu malzemeler için nispeten yüksek su kapasitesi, hidrofobiklik ve kalınlık değerlerine ulaşılabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Zeolites are microporous materials that can be found naturally and produced synthetically. Although significant amounts of natural zeolite sources exist, they contain impurities and their physical and chemical properties depend on the source. Besides, it is hard to obtain zeolites with desired properties from natural zeolite sources.  On the other hand, synthetic zeolites have well-defined properties. Zeolites are composed of AlO4 and SiO4 tetrahedra linked by common oxygen atoms. Zeolite framework is formed of cages and channels which are open cavities filled by water and extraframework cations. Zeolite framework is a three-dimensional structure formed by primary and secondary building units.
Due to their large surface area, homogeneous porous structure, selective permeability, ion exchange ability and adjustable hydrophilicity/hydrophobicity, zeolites are used commonly. Zeolites can be applied in different applications ranging from petroleum industry to biochemistry. Their porous structure also enables them to be used as adsorbents.
Limited energy sources and new emission reducing policies related to fossil sources has prompted the studies to develop environment friendly energy technologies. Adsorption heat pump is an alternative technology that may be used for both heating and cooling purposes while solar energy, waste heat and geothermal energy can be used for regeneration of the adsorbent in the system. One of the key parameters affecting the performance of the adsorption heat pump is the adsorbent-adsorbate pair used therein. The most suitable adsorbent-adsorbate pair sould be used for an effective pyhsical adsorption. One of the most commonly used adsorbent-adsorbate pairs in the adsorption heat pumps is the zeolite-water pair. Water adsorption capacity, hydrophilicity/hydrophobicity and hydrothermal stability of the zeolite are significant indicators of the adsorption heat pump performance. These parameters are related to the chemical composition, ionic content and lattice structure of the zeolite.
In this study, it was aimed to prepare coatings of zeolites with relatively high water capacity by hydrothermal synthesis. In this context, EMT, FAU (X, Y) and GIS (P) type zeolites were taken into consideration and stainless steel surfaces were coated by using the substrate heating method. Zeolite coatings can be prepared by using different methods and different results can be obtained regarding the uniformity, thickness and phase of the coatings. Dip-coating and conventional synthesis methods are commonly used for zeolite coating preparation. Often, thick coatings may not be obtained for the latter method while the former method requires the use of binders which may decrease the performance of the zeolite. In the substrate heating method, which allows direct crystallization, the metal surface to be coated is heated directly, while the reaction mixture is kept at a lower temperature by the help of a water bath. In this way, phase transformations that may occur for highly metastable zeolites can be prevented for long periods of time. In case zeolites are used as coatings instead of powder/pellet form in adsorption heat pumps, heat transfer limitations can be eliminated by increasing the adsorbent-metal contact, and optimum coating thickness can be used by adjusting the coating thickness, which provide a great advantage for these devices. Homogeneous and thick zeolite coatings with sponge-like texture may be obtained by using this method. For comparison, zeolite coatings were also prepared by using the conventional synthesis method. Coatings were prepared, in the light of studies in the literature, by utilizing different synthesis conditions. They were characterized by X-ray diffraction (XRD), thermogravimetry (TG), field scanning electron microscopy (FEGSEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) methods. The phases formed in the zeolite coatings were identified by XRD analysis, the water capacity, crystallinity and hydrophilicity/hydrophobicity of the coatings were determined by TG analysis, their morphology was examined by FEGSEM analysis, and their chemical composition was determined by EDX analysis. TG measurements were done 2 times to deduce the crystalinities of the coatings.  It is expected that if the difference between the first and second TG measurements is relatively low, then the crystalinity of the material is relatively high. The water capacity at 100 C was taken to provide an indication of the ease of regeneration (hydrophobicity) of the zeolite samples investigated. 
Since EMT zeolite is a highly metastable zeolite, it is very difficult to synthesize it by conventional synthesis methods without using organic templates. In the literature, there are many EMT zeolite synthesis studies carried out by using organic templates. Some studies have been performed in order to synthesize EMT by reducing the amount of organic reagent or by not using it at all, due to the fact that organic reagents are expensive and harmful to the environment, and due to the undesired changes in the crystal structure and stability of the coating during the removal of the template from the zeolite after synthesis. However, obtaining crystalline EMT zeolite that could be used in practice proved to be difficult. No significant study has been carried out for the preparation of this zeolite as a coating. In this thesis, a highly crystalline EMT (ZSM-3) zeolite could be synthesized by using the substrate heating method, and suitable temperature, time and reaction mixture composition, without utilizing an organic template. Different molar reaction mixture compositions were tested and the most crystalline EMT phase was obtained for the reaction mixture of 18Na2O: Al2O3: 15SiO2: 324H2O, for a heater resistance temperature of 160 C, a water bath temperature of 30 C, a synthesis time of 24 hours, and an additional treatment after synthesis where the temperature of the water bath was raised to 50 C and kept there 2for one hour. A remarkable increase in crystallinity occurred with the application of the additional treatment. The water capacity of this coating was found to be quite high at relatively low temperatures. In addition, when the substrate heating method was applied, it was observed that the coating thicknesses increased up to 70 times, when compared to the conventional synthesis method.    
For the synthesis of faujasite (FAU) coatings, a reaction mixture molar composition of 42.5 Na2O: 1 Al2O3:17 SiO2: 850 H2O was utilized, based on previous observations. The phase analysis of the coatings prepared by using conventional synthesis and substrate heating methods indicated the presence of mixed phases, in which the faujasite phase was dominant. While Y-type faujasite was formed by conventional synthesis, X-type faujasite was obtained when substrate heating method was used. The mentioned reaction mixture composition allowed the preparation of pure and crystalline EMT zeolite coating when the substrate heating method was applied under certain synthesis conditions. In some coatings, it was determined that EMT zeolite was in mixed phase with faujasite and different zeolites. Generally, the EMT phase did not exist when the heater resistance temperature was increased. While the thickness of the coatings prepared by conventional synthesis method remained below 30 µm, it varied between 110-150 µm for the use of the substrate heating method, under similar synthesis conditions. Due to the relatively hydrophobic nature of the EMT phase, it was observed that the water capacities of the EMT-containing faujasite coatings at 100 C were relatively high. In general, it was observed that the water capacities of the coatings prepared by the substrate heating method at 100 °C were higher than those prepared by conventional synthesis. 
In this thesis, synthesis studies were also carried out to investigate the possible use of P (GIS) zeolite in adsorption heat pumps. As a result of phase analysis and measurement of the water capacity of the coatings prepared by conventional synthesis, it was concluded that the capacity and hydrophobicity of this zeolite were not sufficient for their use in adsorption heat pumps.
In the studies carried out to obtain zeolites with relatively high-water capacity for adsorption heat pumps, Li and Mg ion exchange was also applied to the prepared EMT and FAU zeolite coatings. It was shown that in some cases, low temperature and total water capacities could be somewhat increased by applying this method.
In this study, it has been exhibited that coatings of EMT and FAU type zeolites can be prepared on stainless steel surfaces by using the substrate heating method and relatively high water capacity, hydrophobicity and thickness values can be achieved for the coatings, when appropriate synthesis conditions are used.