Isıl enerji depolama uygulamaları için modifiye edilmiş alüminyum-silikat nanopartiküller içeren emülsiyon şablonlu gözenekli polimerlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of emulsion-templated porous polymers containing modified aluminum-silicate nanoparticles for thermal energy storage applications
Yazar: SENA BAYRAM
Danışman: DOÇ. DR. HATİCE HANDE MERT
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya ve Süreç Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Enerji = Energy

Özet:
Faz değiştiren maddeler (FDM'ler) erimeleri esnasında endotermik bir şekilde ısıyı absorbe ederken, katılaşmaları esnasında ekzotermik bir şekilde ısıyı dışarıya vermektedirler. Bu malzemeler ısıl enerjiyi sabit sıcaklıkta faz değişim yoluyla gizli ısı olarak depolayabilmekte ve yüksek gizli ısı depolama kapasiteleri sayesinde birçok mühendislik alanında kullanılabilmektedir. 
Bu tez çalışmasında, ısıl enerji depolama sistemlerinde kullanılmak üzere modifiye edilmiş alüminyum silikat temelli nanopartiküller içeren emülsiyon şablonlu gözenekli polimerler hazırlanmış ve elde edilen malzemeler parafin esaslı şekilce kararlı faz değiştiren maddelerin hazırlanması için destek malzemesi olarak kullanılmıştır. Nanopartikül katkısı olarak alüminyum silikat yapısındaki kaolinit killeri ve faz değiştiren madde olarak 19 karbonlu bir parafin olan n-nonadekan seçilmiştir. 
Tez çalışmasında ilk olarak gözenekli malzemelerin sentezinde öncü olan yüksek iç fazlı emülsiyon sistemiyle uyumlu hale getirmek ve emülsiyon stabilizasyonunun korunması amacıyla hidrofilik yapıdaki kaolinit killeri katyonik yapıdaki bir modifikasyon ajanı olan Setil Trimetil Amonyum Bromür (STAB) kimyasalı ile modifiye edilmiştir. Modifikasyon işlemi ile kaolinitin hidrofilikliği azaltılmış, yüksek iç fazlı emülsiyon sistemiyle uyumlu hidrofobik yüzey elde edilmiştir. Modifiye edilmiş kaolinit kili, n-nonadekan içeren şekilce kararlı FDM'lerin üretimi için gerekli gözenekli destek materyallerinin hazırlanmasında kullanılmıştır. Hazırlanan kompozit malzemelerde, hiyerarjik gözenekli yapının elde edildiği, alüminyum silikat esaslı modifiye edilmiş kaolinit dolguların artmasıyla gözenek morfolojisinin düzeldiği, en yüksek termal stabilite ve yüzey alanına %1 dolgu içeren gözenekli kompozitin sahip olduğu görülmüştür. Sentezlenen tüm gözenekli kompozit malzemelere tek adımda impregnasyon yöntemiyle, n-nonadekan faz değiştiren maddesi yüklenmiş ve şekilce kararlı kompozit FDM'ler üretilmiştir. Gerçekleştirilen analiz sonuçlarına göre üretilen PHPK1,00-ND kompozit FDM'nin pik erime sıcaklığı Tpik-erime=36,37ºC, ısıl enerji depolama kapasitesi ΔHerime=132,3 J/g olarak belirlenmiş ve n-nonadekan içeriği %52,5 olarak hesaplanmıştır. 
Destek malzemesi olarak gözenekli kompozitler kullanılarak üretilen n-nonadekan içeren şekilce kararlı tüm FDMlerin, yüksek termal enerji depolama kapasitesine sahip oldukları (92-142 J/g arasında değişen) ve termal enerji depolama uygulamaları için sızdırmazlık özelliği gösterdikleri tespit edilmiştir.

Abstract:
Phase change materials (PCMs) absorb heat as endothermic during their melting, they release the heat as exothermic during their solidification. These materials can store thermal energy as latent heat through phase change at constant temperature and thanks to their high latent heat storage capacity, they can be used in many engineering fields.
In this thesis study, emulsion-templated porous polymers containing modified aluminum silicate-based nanoparticles were prepared to be used in thermal energy storage systems, and the materials obtained were used as support material for the preparation of paraffin-based form-stable phase change materials. Kaolinite clay with aluminum silicate structure as nano-filler and n-nonadecane, a 19-carbon paraffin, as phase change material were selected.
 In this thesis study, first of all, the hydrophilic kaolinite clays were modified with Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide (CTAB), a cationic modification agent, in order to harmonize with the high internal phase emulsion system and to keep the emulsion stabilization. With the modification process, the hydrophilicity of kaolinite was reduced and a hydrophobic surface compatible with the high internal phase emulsion system was obtained. Modified kaolinite clay has been used in the preparation of porous support materials required for the production of shape- stablized PCMs containing n-nonadecane. In the prepared composite materials, it was observed that the hierarchical porous structure was obtained, the pore morphology improved with the increase of aluminum silicate-based modified kaolinite fillers, and the porous composite containing 1% filler had the highest thermal stability and surface area. All synthesized porous composite materials were loaded with n-nonadecane as a phase change material by one step impregnation method and shape-stabilized composite PCMs were produced. According to the results of the analysis, the peak melting temperature of PHPK1.0 composite PCM was determined as T peak-melting =36.37°C, thermal energy storage capacity ΔH melting =132.3 J/g and n-nonadecane content was calculated as 52.5%.
It has been determined that all form-stable PCMs containing n-nonadecane produced using porous composites as support materials have high thermal energy storage capacity (ranging between 92-142 J/g) and display leakage-proof property for thermal energy storage applications.