Synthesis and characterization of porous carbons using natural zeolites and AIPO4-5 as templates and diffusion of volatile organic chemicals in these porcus media

DOĞAL ZEOLİT VE AIP04- 5 KULLANILARAK KALIPLAMA YÖNTEMİYLE GÖZENEKLİ KARBON SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU VE UÇUCU ORGANİK KİMYASALLARIN BU GÖZENEKLİ YAPILARDAKİ DİFÜZYONU Bu çalışmada, Manisa-Gördes doğal zeolitinin ve mikrodalga enerjisi kullanılarak üretilen AIPO4-5'in kalıp olarak kullanıldığı yöntemde gözenekli karbon sentezi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Farklı kalıpların, doğal zeolit ve AIPO4-5, ve farklı karbonizasyon sıcaklıkların, 700 ~1000 C, etkisi incelenmiştir. Furfuril alkol, karbon kaynağı olarak kullanılmıştır. Üretilen karbon malzemelerin özellikleri SEM, EDS, XRD, FT-IR, 13C CPMAS, 29Si CPMAS, 27A1 MAS NMR, 19F MAS NMR ve yüzey analiz yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Furfuril alkol, 700, 800, 900 and 1000 C sıcaklıklarda doğal zeolitin ve AlP04-5'in gözeneklerinde polimerize ve karbonize edilmiştir. Üretilen karbon malzemelerin doo2 değerleri, grafit plakalar arasındaki uzunluk, Lc, plakaların uzunluğu, La, ve plaka sayısı Debye-Scherer denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Doğal zeolitin kalıp olarak kullanıldığı deneylerden elde edilen gözenekli karbonların BET yüzey alanları 700, 800, 900 ve 1000 C'lerde sırasıyla 397, 350, 405 and 367 m2/g'dır. EDS analizleri sonucunda 700- 1 000 C aralığında üretilen karbon malzemelerinin karbon içeriğinin %91- 99 olduğu bulunmuştur. Elde edilen karbon malzemelerinde sp, sp2 ve sp3 hibritleşmiş karbon yapılarının olduğu 13C NMR yöntemi kullanılarak gözlenmiştir. Bu malzemelerin gözenek çaplan 11 nm olup, mezo gözenekli yapıdadır. Lc değerleri ve grafit plaka sayısı karbonizasyon sıcaklığı arttıkça artmaktadır. Zeolit kalıbı uzaklaştırmak için HF kullanılan örneklerin SEM görüntülerinde çiçek şeklinde organoalüminyum florür yapılar gözlenmiştir. Bu yapılar başlıca flor, karbon ve alüminyum içermektedir. 19F MAS NMR kullanılarak üretilen karbonda AI2F2, AIFC3, AIF2C2, ve AIF3C gruplar olduğu gözlenmiştir. X-ışını difraktogramlarında alüminyum hidroksit florür bileşiğine ait pikler bulunmaktadır. Kalıp olarak kullanılan doğal zeolit, HF yanında, HC1, NaOH, HCl-NaOH, ve HF-NaOH ile de uzaklaştırılmaya çalışılmış ve elde edilen gözenekli karbondaki değişiklikler gözlenmiştir. İlerde kalıp olarak kullanılmak üzere çeşitli parametrelerin sistematik çalışılmasıyla mikrodalga yöntemiyle AIPO4- 5 sentezlenmiştir. Yüksek kalite AIPO4- 5 kristalleri mikrodalga yöntemi kullanılarak sentezlenebilmektedir. Mikrodalga yöntemi sentezleme zamanını oldukça düşürmektedir. Kristalin büyümesi başlangıç solüsyon kompozisyonuna bağlıdır. Mükemmel altıgen yapıda, yaklaşık 5 um uzunluğunda AIPO4- 5 kristalleri elde edilmiştir. Kalıplama yönteminde kullanılmak üzere seçilen AlP04-5'ün BET yüzey alanı 107 m2/g ve ortalama gözenek çapı ise 1.7 nm'dir. AIPO4- 5 kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonların BET yüzey alanları 700, 800, 900 ve 1000 C'lerde 149, 125, 122 and 108 m2/g m2/g'dır. AlP04- 5 kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonların yüzey alanları, gözeneklerin erişilebilirliği bakımından doğal zeolit kullanılarak üretilenlere kıyasla daha düşüktür. AIPO4- 5 kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonların ortalama gözenek çaplan 1.7 nm'dir. EDS analizleri at 700- 1 000 C aralığında 96 -82% karbon elde edilmiştir. Doğal zeolit kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonlarda olduğu gibi, Lc değerleri ve grafit plaka sayısı karbonizasyon sıcaklığı arttıkça artmaktadır, d.002 değerleri 700- 1 000 C aralığında 0.358-0. 363 nra arasındadır. Uçucu organik kimyasalların doğal zeolitte ve doğal zeolit kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonlarda difüzyonları incelenmiştir. Metanol, etanol, n-propanol, i-propanol ve n-butanol'ün doğal zeolitte ve doğal zeolit kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonlarda difuzlenme katsayısı, difiizyon mekanizması ve aktivasyon enerjileri 24.0- 28 .0 C aralığında ölçülmüştür. Hem doğal zeolitte, hem de doğal zeolit kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonlarda, alkollerin molekül ağırlıkları arttıkça difüzyon katsayısının, aktivasyon enerjisinin ve dengeye ulaşmak için gerekli zamanın arttığı gözlenmiştir. Difüzyon katsayısı sıcaklık artıkça yükselmektedir. Difüzyon mekanizması, doğal zeolitte ve karbonlarda düzensiz difüzyondur. Difüzyon hız sabitleri sıcaklık arttıkça hafifçe yükselmektedir. Doğal zeolit kullanılarak kalıplanan gözenekli karbonlarda difuzlenme katsayısı doğal zeolite göre düşüktür. Aktivasyon enerjileri ise daha yüksektir. Metanolün aktivasyon enerjisi doğal zeolitte ve karbonda sırasıyla 90.1 kJ/mol and 220. 7 kJ/mol'dır. Bunun nedeni polar alkollerin karbon yüzeyi ile olan etkileşimidir. x