Isıl işlemin bir bentonitin katyon değiştirme kapasitesi, adsorpsiyon, gözenekliliği, yüzey alanı ve yüzey asitliği gibi bazı fizikokimyasal özeliklerine etkisi
The effect of heat treatment on some of the physicochemical properties such as cation exchange capacity, adsorption, porosity, surface area and surface acidity of a bentonite
Yazar: EBRU DEMİR
Danışman: PROF. DR. MÜŞERREF ÖNAL
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bir Sungurlu/Çorum bentonitinin bazı fizikokimyasal özeliklerinin ısıl işlem sıcaklığına bağlı olarak değişimi ve bu sırada ortaya çıkan deformasyonların kinetik ve termodinamik olarak incelenmesi bu çalışmanın amacı olarak öngörülmüştür. Orijinal ve kısmen saflaştırılmış bentonit örneklerinin kimyasal analiz (KA), X-ışınları difraksiyonu (XRD), partikül boyut dağılımı (PBD) analizi, diferansiyel termal analiz (DTA), termogravimetrik analiz (TGA), Fourier transform infrared (FTIR) spektroskopisi ve katyon değiştirme kapasitesi (KDK) teknikleri ile karakterizasyonu yapılmıştır. Bentonit örneğinin kil mineralleri olarak kalsiyum simektit (CaS) ve paligorskit (P), kil dışı mineral olarak da kuars içerdiği belirlenmiştir. Saflaştırılmış bentonite 50-1150OC sıcaklıkları arasında ısıl işlem uygulanmıştır. Isıl işlemler örnekler sabit tartıma ulaşana dek sürdürülmüştür. Değişik sıcaklıklardaki kütle azalmalarının süre ile değişimleri belirlenmiştir. Kütle azalmaları yardımıyla, belirlenen sıcaklıklar için tepkime hız sabiti (k) değerlerine ulaşılarak bu sıcaklıklar arasında gerçekleşen tepkimenin aktivasyon enerjisi (E#) hesaplanmıştır. Sabit sürede ısıl işlem sıcaklığı değiştirildiğinde ise yine kütle azalmaları belirlenerek dehidratasyon ve dehidroksilasyonun gerçekleştiği bölgeler gözlenmiştir. Dehidratasyon ve dehidroksilasyon için ? HO, ? GO ve ? SO gibi termodinamik veriler belirlenmiştir. KDK'nin ısıl işlem sıcaklığı ile değişiminden ana kil mineralinin termal bozunmasına ilişkin dehidratasyon ve dehidroksilasyon bozunma entalpileri ( ? HO), Gibbs enerjisi ( ? GO) ve entropi ( ? SO) değerleri bulunmuştur. Bulunan sonuçlar, 450OC'tan önceki bozunmanın fiziksel, sonraki bozunmanın ise kimyasal nitelikte olduğunu göstermiştir. Saflaştırılmış bentonite ait termal analiz verileri (TGA, DTA) kullanılarak Coats-Redfern yöntemi ile örneklerin dehidratasyon ve dehidroksilasyon aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Tüm örneklerin KDKleri yanında azot adsorpsiyon/desorpsiyon izotermleri ve yüzey asitlikleri (nm) belirlenmiştir. Adsorpsiyon izotermlerinden Brunauer-Emmett-Teller (BET) yöntemi ile özgül yüzey alanları (A), desorpsiyon izotermlerinden ise özgül mikro-mezogözenek hacimleri (V) belirlenmiştir. KDK, A, V ve nm niceliklerinin ısıl işlem sıcaklığıyla değişimleri tartışılmıştır. Isıl işlem sıcaklığı yükseldikçe KDK, A ve nm niceliklerinin düşme eğilimi gösterdiği, V'nin ise 800OC'a kadar zikzaklı olarak değiştiği, bu sıcaklıktan sonra ise hızla düştüğü görülmüştür.

Abstract:
In this study, it is aimed to examine variations in the certain physicochemical properties of a Sungurlu/Çorum bentonite, depending upon the thermal treatment and also to analyse deformations kinetically and thermodinamically during this process. A bentonit sample supplied from Çorum/Sungurlu was purified. Samples of original and partially purified bentonit was characterized by chemical analysis (CA), X-ray diffraction (XRD), particle size distribution (PSD) analysis, differential thermal analysis (DTA), thermogravimetric analysis, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and cation exchange capacity techniques. It was determined that the bentonit sample includes calcium smektit (CaS) and paligorskit (P) as clay minerals and kuars as non-clay minerals. Purified bentonit was subjected to thermal treatment between 50-1150OC. Thermal treatments were carried on until the samples reached constant weighing. Variations in the mass losses depending upon time were determined in different temperatures. Values of reaction rate constant (k) were obtained for definite temperatures with the help of mass losses and then, activation energy (E#) of the reaction occured between these temperatures was calculated. When thermal treatment temperature changed at constant duration, mass losses were determined and dehydration and dehydroxylation regions were observed. Thermodynamic data such as ? HO, ? GO and ? SO for dehydration and dehydroxylation were determined. Values of dehydration and dehydroxylation decomposition/degradation enthalpies ( ? HO), Gibbs energy ( ? GO) and entrophy ( ? SO) of thermal decomposition/degradation of main clay minerals were determined as a result of change in cation exchange capacity due to thermal treatment temperature. Results showed that degradation lower than 450OC is physical and degradation higher than 450OC is chemical. By Coats-Redfern method, dehdyration and dehydroxylation reaction activation energies of samples were calculated by using thermal analysis data (TGA, DTA) belonging to purified bentonit. Nitrogen adsorption-desorption isotherms and surface acidities (nm) of all samples as well as cation exchange capacities (CEC) were determined. Specific surface areas (A) were obtained from adsorption isotherms by using Brunauer-Emmett-Teller (BET) method and specific micro-mezopore volumes (V) were obtained from desorption isotherms. Variations in the values of CEC, A, V and nm depending upon the thermal treatment were discussed. It was observed that when thermal treatment temperature increases, values of CEC, A and nm tend to decrease and V follows a zigzag changes at 800OC, after this temperature, it decreases rapidly.