(ThxCe1-x)O2 küreciklerinin sol-jel yöntemi ile hazırlanması, peletleme ve sinterleme koşullarının incelenmesi
Preparation of (ThxCe1-x)O2 spheres by the sol-gel method, investigation of their pelletizing and sintering properties
Yazar: BERKAN ÇETİNKAYA
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN TEL
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Aktivasyon enerjisi = Activation energy ; Pelet = Pellet ; Seryum = Cerium ; Sinterleme = Sintering ; Toryum = Thorium

Özet:
Çalışmada Th(NO3)4.5H2O ve (NH4)2[Ce(NO3)6] başlangıç kimyasalları ile sol-jel tekniği kullanılarak kolay sinterlenebilir, yüksek homojenitede ve yoğunlukta (ThxCe1-x)O2 peletlerinin elde edilmesi amaçlanmıştır. Hiç bir kompleks yapıcı madde kullanmaksızın sadece toryumun jelleşme özelliğinden faydalanarak jelleşmeye uygun dayanıklı soller elde etmek için öncelikle toryum mol yüzdesi %50, %75 ve %95 olacak şekilde toryum ve seryumun nitrat çözeltileri hazırlanmıştır. Bu çözeltilere, ısı ve pH kontrolü altında amonyak çözeltisi ilave edilerek sol çözeltileri hazırlanmıştır. Hazırlanan sol çözeltileri vibrasyon-nozül sistemi kullanılarak kürecik formunda jelleştirilmiştir. Bu amaçla; peristaltik pompa, akış regülatörü, vibratör-nozül, cam kolon ve bağlantılarından oluşan düzenek dizayn edilerek imalatı gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan sollerden hareketle, çatlama olmaksızın jelleşmeye uygun mikrokürecikler elde edilmesinde, damlacık oluşumu ve ön sertleşme ortamı incelenmiş ve optimum koşullar belirlenmiştir.Elde edilen jel mikroküreciklerinin yaşlandırma, yıkama ve kurutma sonrası karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla, küreciklerin TG/DTA analizi ile termal davranışları incelenmiştir. 80°C sıcaklıkta kurutulan kürecikler 450°C, 800°C ve 1150°C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta termal işleme tabi tutulmuş ve X-ışınları kırınım analizi ile kristal parametreleri hesaplanmış, BET yüzey alanı ve BJH gözeneklilik analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, kürecikler peletlenerek termal davranışları dilatometri ile 1100°C, 1200°C ve 1300°C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta incelenmiş, farklı Th:Ce oranlarına sahip peletlerin aktivasyon enerji değerleri hesaplanmış ve sinterleme kinetikleri belirlenmiştir. Peletlerin SEM görüntüleri çekilmiş ve yoğunluk analizleri yapılmıştır. (Th0.50Ce0.50)O2 peletleri için aktivasyon enerjisi 305kJ/mol, (Th0.75Ce0.25)O2 peletleri için 315kJ/mol ve (Th0.95Ce0.05)O2 peletleri için 419kJ/mol bulunmuştur. Deneylerde çalışılan tüm oranlar için karışık oksitlerin ham pelet yoğunluklarının, teorik yoğunluğun %45-47'si civarında olduğu saptanmıştır. 1300°C gibi görece düşük sinterleme sıcaklıklarında dahi sinterleme yoğunlukları, teorik yoğunluğun %94'üne ulaşmaktadır. Sonuç olarak, sol-jel ve mikrokürecik peletleme yöntemleri ile homojen, yüksek yoğunluklu ve kolay sinterlenebilir (ThxCe1-x)O2 peletleri elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of the present study is to obtain easily sinterable (ThxCe1-x)O2 pellets with high homogeneity and density, starting from the initial chemical materials of Th(NO3)4.5H2O and (NH4)2[Ce(NO3)6], via sol-gel technique. To obtain mixed sols suitable for gelation, profiting only by high gelation feature of thorium unless using any complexing agent, nitrate solutions of thorium and cerium with 50%, 75% and 95% mol ratio of thorium were prepared. The sols were prepared by the ammonia addition under pH and temperature control. Sols were gelated to spherical form using a vibration-nozzle system. Gelation system consisting from, peristaltic pump, flow regulator, nozzle and glass gelation column were designed and assembled. To obtain crack-free spheres suitable for gelation from the source sols, drop formation and pre-hardening medium were investigated and optimum conditions were determined.After aging, washing and drying steps, characterization studies of gel microspheres were realized. For this purpose thermal behaviors of spheres were investigated with TG/DTA analysis. Dried spheres at 80 °C were calcined at three different temperatures, as 450°C, 800°C and 1150°C and crystal parameters were calculated from XRD data, BET specific surface area and BJH porosity analyses were carried out. The spheres were compacted to pellets and thermal behaviors of these pellets were investigated at three different temperatures as, 1100°C, 1200°C and 1300°C by dilatometry, activation energy values of the pellets having different Th:Ce ratio were calculated and sintering kinetics were determined. SEM images of pellets were taken and density analyses were made. The activation energy for (Th0.50Ce0.50)O2, (Th0.75Ce0.25)O2 and (Th0.95Ce0.05)O2 pellets were calculated as 305kJ.mol1-, 315kJ.mol1- and 419kJ.mol1-, respectively. In the experiments, green densities of the mixed oxide pellets were determined as 45-47% of the theoretical density for all of the studied ratios. Sintering densities were reached to 94% of theoretical density after sintering even at relatively low temperature as 1300°C. As a result, homogenous, high density and easily sinterable (ThxCe1-x)O2 pellets were obtained via sol-gel and microsphere pelletization methods.