Palladyum alaşım membranların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of palladium alloy membranes
Yazar: SİNEM KILIÇ
Danışman: PROF. DR. MELTEM DOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son zamanlarda temiz enerjiye artan ihtiyaç, hidrojeni önemli bir alternatif haline getirmiştir. Buna bağlı olarak, hidrojen ayırma ve saflaştırma teknolojilerinin önemi de artmaktadır. Palladyum membranlar hidrojen ayırma ve saflaştırma işlemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda Pd membranların kırılganlaşma ve membran zehirlenmesi gibi problemlerinden dolayı Pd alaşımlı membran kullanımı yaygınlaşmaktadır. Yürütülen bu çalışmada, gözenekli cam tüpler destek malzemesi olarak kullanılarak ELP (Elecroless Plating) yöntemiyle PdCu alaşım membranlar sentezlenmiştir. Kaplamadan önce, destek alümina ile iki kez modifiye edilmiş, ardından da temizlenmiştir. Modifikasyon işleminden sonra destek yüzeyindeki Al/Si oranı (kütlece) yaklaşık dört kat artmıştır. Destek yüzeyi asidik SnCl2 ve asidik PdCl2 çözeltisi ile aktifleştirilmiştir. Bu işlem ile otokatalitik reaksiyonların başlatıcısı olan Pd tanecikleri yüzeye yüklenmiştir. Aktifleştirme işleminden sonra destek üzerine önce üç kez Pd, ardından da bir kez Cu kaplanmıştır. Isıl işlemin alaşım oluşumu üzerine etkisini araştırmak üzere kaplanmış destekler 550oC'de ve 650oC'de hidrojen ortamında ısıl işleme tabi tutulmuştur. XRD (X ışını kırınımı) analizleri sonucunda, 550oC'de ısıl işlem sonrası yapıda alaşım fazı olarak fcc (yüzey merkezli kübik yapı) ve bcc (hacim merkezli kübik yapı) fazlar birlikte bulunurken, 650oC'de ısıl işlem sonrası alaşım fazı olarak sadece fcc fazlarının bulunduğu tespit edilmiştir. SEM (Tarayıcı elektron mikroskopisi) görüntüleri ile 650oC'deki ısıl işlem sonrası kaplamadaki boşlukların büyük ölçüde kapandığı, daha sıkı bir yapı elde edildiği belirlenmiştir. Bu nedenle ısıl işlem sıcaklığı 650oC olarak belirlenmiştir. Kaplama yapısı üzerine osmotik akının etkisinin belirlenebilmesi için ELP ile kaplama işlemi, 3M'lık sakkaroz çözeltisi ile oluşturulmuş osmotik akı etkisi altında gerçekleştirilmiştir. Kaplamada osmotik akı kullanılması ile daha sıkı bir membran tabakası elde edilmiştir. EDS (Enerji dağılım spektroskopisi) analizleri ile osmotik akısız ve osmotik akılı kaplamalarda yaklaşık Pd:Cu oranı sırasıyla 86:14 ve 75:25 olarak belirlenmiştir. SEM görüntüleri ile kaplama kalınlığı yaklaşık 13,47 µm olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Recently, the increasing need for clean energy has made hydrogen an important alternative. Correspondingly, the importance of hydrogen separation and purification technologies has also increased. Palladium membranes are widely used in hydrogen separation and purification processes. In recent years, the use of alloy membranes has gained importance due to problems such as embrittlement and membrane poisoning of pure Pd membranes. In this study, PdCu alloy membranes were synthesized by ELP (Elecroless Plating) method using porous glass tubes as support material. Prior to coating, the support was modified two times with alumina and then cleaned. Al/Si ratio (by mass) increased about four times on the support surface after the modification process. The support surface was activated with acidic SnCl2 solution and acidic PdCl2 solution. By this process, Pd particles which are the initiator of autocatalytic reactions were loaded on the surface. After activation, the support was coated three times with Pd followed by one time with Cu. To investigate the effect of heat treatment on alloy formation, the coated supports were subjected to heat treatment at 550°C and 650°C under hydrogen. From XRD (X-ray diffraction) analysis, the fcc (face centered cubic) and bcc (body centered cubic) phases were found together in the alloy phase after the heat treatment at 550oC, whereas only fcc phases were found in the alloy phase after the heat treatment at 650oC. SEM (Scanning electron microscopy) images showed that, pores in the structure were almost completely closed after the heat treatment at 650oC and a tighter structure was obtained. Therefore, heat treatment temperature is determined as 650oC. In order to determine the effect of osmotic flux on the coating structure, coating with ELP was carried out under the influence of osmotic flux formed with 3M sucrose solution. It was shown that tighter membrane layer was obtained by using of osmotic flux in the coating process. EDS (Energy dispersive spectroscopy) analysis showed that the Pd: Cu ratio in the absence of osmotic flux and in osmotic flux coatings was 86:14 and 75:25, respectively. The coating thickness was determined as approximately 13,47 µm from SEM images.