Preparation and characterization of inorganic membranes by using sol-gel techniques

Abstract

oz Bu çalışmada gaz ayırma uygulamalarında kullanılabilecek seramik membranlann sol-gel yöntemleriyle hazırlanması incelenmiştir. Su/alkoksit ve H+/alkoksit oranlarının katalizlenen hidroliz - yoğunlaşma reaksiyonları ve peptizasyon işlemlerine etkileri azot adsorpsiyon- desorpsiyon izotermleri, termal analiz ve FTIR spektroskopisi kulllanılarak incelendi. Bu malzemelerin gaz ayırma ugulamalanndaki performans ve potensiyel kullanımları, gözenek ağlarının- micro yapısının kontrolü-tasarmına bağlıdır. Alumina ve silika solları sırasıyla Alüminyum isopropoksit ve Tetraethylortosilikat kullanılarak hazırlanmıştır. Bu sollar değişik Su/ Al+3 ve Acid/Al+3 oranlarında hazırlanmıştır. Hazırlanan berrak Boehmite solları kullanılarak 600 °C de desteksiz membranlar hazırlanmıştır. Benzer oranlar değiştirilerek berrak silica solları elde edilmiş ve bu sollar kurutulup 400 °C de ısıl işlemden geçirilerek desteksiz silika membranlan üretilmişdir. Termogravimetrik analiz sonuçlan desteksiz membranlardaki kütle kaybının yukarıdaki sıcaklıklarda durağan hale geldiğini ve Boehmite'ın Y-AI2O3 Alumina fazına 425 °C de bozunduğunu göstermiştir. FTIR analiz sonuçlan bütün sollarda boehmite oluştuğunu ve organik solvent piklerinin ısıl işlem sonrası kaybolduğunu göstermiştir. Y-AI2O3 membranlannda mezagözenekli malzemelerde görülen tipik Tip IV izotermleri elde edilmiştir. Bütün izotermlerde hysterisis loop göstermiştir ve hızlı desopsiyon 0.4-0.6 P/Po aralığında gerçekleşmiştir. Bütün alumina membranlann BJH boşluk dağılım garafikleri belirgin pikler vermiştir. Desorpsiyon gözenek dağılımı 3 nolu asit içeriği olan membranda, ki bu en düşük yüzey alanına sahiptir, daha geniş bulunmuştur. Bu membranlann BET parçacık büyüklüğü 70-100 A° aralığındadır. Tek boyutlu bir küreler paketinde boğaz ve boşluk boyutlan; hesaplanan parça büyüklük aralığı için, adsopsiyon-desorpsiyon gözenek boyutlan ile uyum halindedir. Bütün silika örnekleri için mikro malzemelerde görülen hysterisis loopu olmayan sollardaki Tip I izotermleri elde edildi. Harvoth-Kawazoe boşluk dağılımının 4-5 A° aralığında olduğu ve sollardaki su içeriğinin boşluk dağılımına etkileri olduğu gözlenmiştir.

ABSTRACT In this research the preparation of ceramic membranes for gas separation applications by using sol-gel techniques were investigated. The effects of water/alkoxide ratio, ITValkoxide ratio on the catalysis of the hydrolysis-condensation reactions and the peptization process were investigated by using N2 adsorption- desorption isotherms, thermogravimetric analysis and FTIR (Fourier Transform Infra Red). The performance and the potential use of these materials in gas separation applications depend mainly on the ability in controlling-designing the microstructure- pore network in these materials. The alumina and silica sols were prepared by using aluminium isopropoxide and tetraethylorthosilicate. Sols with different H+ / Al+3 and H2O / Al+3 ratios were prepared. These peptized clear boehmite sols were used for the preparation of unsupported AI2O3 membranes at 600 °C. The similar ratios were varied for the preparation of clear silica sols and these sols were further dried and heat treated at 400 °C. The thermogravimetric analysis has shown that the weights of the unsupported membranes were stable at the above temperatures. The boehmite was observed to decompose to the Y-AI2O3 phase at about 425 °C. The FTIR analysis have proved the formation of boehmite in the sols and all the organic solvent peaks disappeared upon heat treatment. The Y-AI2O3 membranes all displayed Type IV isothems typical of mesoporous materials. Hysteresis loops were present in all these isotherms and fast desorption took place in the 0.4-0.6 P/Po range. The BJH pore size distributions were sharp for all the samples. The desorption pore size distributions were found to become wider at an intermediate acid content membrane which also had the lowest BET surface area. The BET particle sizes of these membranes were estimated to be in the 70-100 A° range. The throat and pore cavity sizes of monosize sphere packings for this particle size range were observed to be in close agreement with the experimentallly determined adsorption- desorption pore sizes. IllThe silica samples all displayed Type I isotherms with no hysteresis typical of microporous materials. The HK (Horvoath Kawazoe) pore sizes were in the 4-5 A0 range. An effect of the water content of these acid-catalyzed sols on the pore size were also detected. IV