Alüminyum-kromalüminyum-tabakalı kil üretimi
Aluminium-chromealuminium-pillared clay and its characterization
Yazar: FATMA AKINCI TOMUL
Danışman: DOÇ.DR. SUNA BALCI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2000
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Karakterizasyon = Characterization ; Metal kompleksleri = Metal complexes ; Montmorillonit = Montmorillonite

Özet:
ALÜMİNYUM-, KROMALÜMİNYUM-TABAKALI KİL ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU (Doktora Tezi) Fatma AKINCI TOMUL GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mart 2000 ÖZET Endüstride kontrollü gözenek yapısına sahip katılara olan ihtiyaç, doğal malzemelerin gözenek yapısının iyileştirilmesine paralel olarak, yeni malzemelerin üretimlerine yönelik çalışmaların artmasına yol açmıştır. Tabakalı killer, killerin doğal katmanları arasına hacimli katman açıcıların yerleştirilmesi ve ısı etkisiyle yapıya bağlanması ile üretilir. Üretim için seçilen katının, katman açıcı elemanın ve üretim şartlarının ürün kalitesi üzerinde önemli etkileri vardır. Yapı malzemesi olarak kullanılan kil mineralinin genişleyen kafes yapısı, şişme özelliği ve yüksek katyon değiştirme kapasitesine sahip olması gerekirken, seçilen katman açıcı elemanın uygulama alanlarına yönelik olarak ısıl dayanıklılığı ve istenilen gözenek yapısını sağlayabilecek uygun özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada Hançılı yöresi bentonit kil mineralleri, Hançılı Esmer (HE), Hançılı Yeşil (HY) ve Hançılı Beyaz (HB) ile katman açıcı olarak alüminyum ve kromalüminyum metal kompleksleri kullanılarak tabakalı kil üretimi yürütülmüştür. Bu kil minerallerinin üretime uygunluğunun karşılaştırılması içinII Texas Ca-montmorillonit (STx-1) ve Wyoming Na-montmorillonit (SWy-2) standart kil mineralleri ile de üretim gerçekleştirilmiştir. Kil çeşidi, ön doyurma şekli ve süresi, katman açıcı hazırlama yöntemi ve kalsinasyon sıcaklığının ürün kalitesi üzerine etkileri incelenmiştir. Doyurmasız, sodyum ve kalsiyum ön doyurmalı HE, HY, HB, STx-1 ve SV\fy-2 kil mineralleri ile 300°C sıcaklıkta 15,73 A ve 18,80 Â arasında değişen katmanlar arası uzaklık ve 157 m2/g - 312 m2/g arasında değişen BET yüzey alan değerlerine sahip Al-tabakalı ürünler elde edilmiştir. Kalsinasyon sıcaklığının artmasına bağlı olarak katmanlar arası uzaklık ve yüzey alan değerlerinde azalma gözlenmiştir. Kalsiyum ön doyurma, ürünlerin ısıl dayanıklılığında, sodyum ve doyurmasız kil minerali ürünlerine göre artışa yol açmıştır. Ön doyurma süresinin arttırılması ile katmanlar arası uzaklık ve BET yüzey alan değerlerinin azaldığı gözlenmiştir. Katman açıcı çözelti baz/metal oranının da ürün kalitesi üzerine etkileri doyurmasız, sodyum ve kalsiyum doyurmalı kil örnekleri ürünlerinde incelenmiş ve OH/AI oranının 1,0 değerinden 2,5 değerine yükseltilmesi ile katman aralığının 15,73 A'dan 19,34 A'a kadar ulaşabileceği görülmüştür. Baz/metal oranının artması katmanlar arası uzaklık ve yüzey alan değerlerinin artmasına yol açtığı gibi ısı etkilerine karşı yapı kararlılığının da korunmasını sağlamıştır. Katman açıcı çözelti olgunlaştırma sıcaklığının 30°C'dan 75°C'a arttırılması ile kalsiyum ön doyurma işlemi uygulanmış HY kil minerali ürünlerinde katmanlar arası uzaklık değerinin 300°C sıcaklıkta 16,38 A'dan 18,14 A'a arttığı ve sıcaklık artışına karşı yapı kararlılığının korunduğu gözlenmiştir. Alüminyum katman açıcı elemanın OH/AI oranı 2,5 için 60°C sıcaklık ve 18 saatlik sürede olgunlaştığı, katman açıcı elemanın kil katmanları arasına düzenli dağılımını sağlayacak iyon değişim periyodunun 4 saat olduğu belirlenmiştir. Standart kilIll mineralleri ile yürütülen çalışmalarda katman açıcının kil katmanları arasında düzenli dağılımı gözlenmiştir. Katman açıcı çözelti hazırlama ve kil süspansiyonu-katman açıcı çözelti işlem şeklinin ürün kalitesi üzerine etkileri iki farklı yöntem ve değişik kil mineralleri kullanarak alüminyum tabakalı kil üretiminde incelenmiştir. Yüksek sıcaklık- yüksek metal derişimi ve düşük sıcaklık-düşük metal derişimlerinde hazırlanan katman açıcı çözeltiler ile kalsiyum ön doyurmalı HY kil minerali kullanılarak üretilen ürünlerde katmanlar arası uzaklık ve BET yüzey alan değerleri sırasıyla 17,98 Â ve 213 m2/g; 18,80 Â ve 118 m2/g mertebelerinde gözlenmiştir. İyon değişim süresinin arttırıldığı ikinci yöntemde yapı kararlılığının sıcaklık artışına karşı korunduğu gözlenmiştir. CrAI-tabakalı kil ürünlerinde Al/Cr oranının artışı ile katman aralığı ve BET yüzey alan değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Isı etkilerine karşı yapı kararlılığının da korunduğu görülmüştür. Al/Cr oranının artışı ile elde edilen ürünlerin Al-tabakalı kil ile benzer davranışlar gösterdiği gözlenmiştir. Bilim Kodu : 603. 02. 01 Anahtar Kelimeler : Montmorillonit, tabakalı kil, katman açıcı eleman, katmanlar arası uzaklık, BET yüzey alan, karakterizasyon Sayfa Adedi : 228 Tez Yöneticisi : Doç. Dr. F. Suna BALCI

Abstract:
ALUMINUM-, CHROMEALUMINUM-PILLARED CLAY AND ITS CHARACTERIZATION (PhD. Thesis) Fatma AKINCI TOMUL GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY March 2000 ABSTRACT The need for solids having controlled pore structure in industry leads an increase in studies related with the production of new materials in parallel to the improvements of the pore structure of the naturally existing materials. Pillared layered clays are obtained by introducing bulky pillar agents into the natural layers of the clays and fixing of them to the structure with heat effects. The solid chosen for production, pillar agent and production conditions have rather important effects on the product quality. While the host mineral necessarily having the expanding cage structure, swelling property and high cation exchange capacity, the chosen pillar agent must have suitable properties to supply thermal stability and the desired pore structure related with the application areas. In this study, pillared layered clay production was carried out with bentonite clay minerals Hançılı Yellow (HY), Hançılı Green (HG) and Hançılı White (HW) from Hançılı region using aluminum and chromealuminum-metal complexes as pillar agent. In order to compare the suitability of these minerals for the production, the production with Texas Ca-montmorillonite (STx-1) and WyomingNa-montmorillonite (SWy-2) standard clay minerals were also carried out. The effects of clay kinds, pre-satu ration type and duration, the pillar agent preparing method and calcination temperature on product quality were investigated. Al-pillared layered clay having basal spacing varying between 15,73 Â and 18,80 A and BET surface area changing between 157 m2/g and 312 m2/g were obtained at 300°C with unsaturated, sodium and calcium pre-saturated HY, HG, HW, SWy-2 and STx-1 clay minerals. The decrease in basal spacing and surface area values were observed depending on the increase in calcination temperature. Calcium pre-satu ration yielded an increase in thermal stability of product, compared with sodium-saturated and unsaturated clay minerals. Decrease in basal spacing and surface area values were observed with increasing in pre-satu ration time. The effect of base/metal ratio in pillar solution on product quality were also investigated, for unsaturated, sodium and calcium pre-saturated clay samples and it was observed that, basal spacing value increased from 1 5,73 Â to 1 9,34 A by increased the OH/AI ratio from 1,0 to 2,5. The increasing of base/metal ratio caused an increase in the basal spacing and the surface area values it also brought out the preserved structure stability against the heat effects. The increase in basal spacing from 16,38 A to 18,14 A at 300°C, and the structure stability were observed by increasing pillar agent aging temperature from 30°C to 75°C. It was concluded that, for OH/AI ratio of 2,5, aluminum pillar agents were aged at 60°C temperature and 18 hours, time suitable ion-exchange period was, 4 hours for the homogeneous distribution of the pillar agents between the clay layers. The uniform distribution of pillar agents between clay layers were observed, in the studies carried out with the standard clay minerals. The effects of pillar solution preparation and clay solution-pillar solution mixing operation on product quality were investigated with two different methods usingVI different clay minerals in the Al-pillared clay production. The basal spacing and BET surface area values for the products obtained from calcium pre-saturated HY clay mineral, for the pillar agents prepared from high temperature-high metal concentration and low temperature-low metal concentration were 17,98 Â and 213 m2/g; 18,80 Â and 118 m2/g respectively. It was observed that, structure stability was preserved against temperature increase, in the second method in which ion exchange time was increased. In CrAI-pillared layered clay product, basal spacing and BET surface area values were increased with an increase in Al/Cr ratio. It was also seen that, the structure stability against thermal effect was preserved with an increase in this ratio. The products obtained with increased Al/Cr ratio showed similar behavior with Al-pillared layered clay product. Science Code Key Words Page Number Adviser : 603.02.01 : Montmorillonite, pillared layered clay, pillar agent, basal spacing, BET surface area, characterization :228 : Doç. Dr. F. Suna BALCI