Doğal hammadde ve atıklardan alümina-silika esaslı aerojel üretimi

Artan nüfus ve kentleşme yanında birçok endüstriyel operasyonda, ekonomik değer kazanma potansiyeli olan atık malzemeler açığa çıkmaktadır. Oluşan tonlarca atık malzemelerin bertaraf edilmesi yönünde çalışmalar artarak sürdürülmekte olup; alümina-silika esaslı aerojel üretimi için literatürdeki çalışmaların yetersiz olduğu görülmüştür. Alümina-silika aerojellerin üretiminde, sentetik başlangıç malzemeleri kullanıldığında yüksek maliyetten dolayı çalışmalar doğal ve atık malzeme kullanımına doğru eğilim göstermektedir. Atık sorunlarının üstesinden gelmek için eloksal atık gibi çevreye zararlı ve alümina içeriği yüksek olan bu kaynak alümina başlangıç malzemesi olarak tercih edilmiştir. Ayrıca üretim rezervi ülkemizde bol olan perlit, diatomit, şamot tuğlası, vollastonit gibi ekonomik silika hammadde kaynaklarınının, katma değeri daha yüksek olan hafif, dayanıklı ve gözenekli malzeme sınıfı olan aerojellere dönüştürülebilirliği incelenmiştir. Ticari kimyasallar yerine başlangıç hammaddeleri olarak çok daha ekonomik olan bu doğal hammadde kaynaklarının ve atığın alümina-silika esaslı kompozit aerojel üretiminde kullanılarak değer kazandırılması bu tez çalışmasının temel hedeflerindendir. Aerojeller düşük termal iletkenlik ve yoğunluğun yanında yüksek yüzey alanına ve nano boyutlu gözenekliliğe sahip olduklarından günümüzde çeşitli alanlarda önem kazanmış ve birçok kullanım potansiyeline sahip olmaya başlamıştır. Alümina aerojeller, yüksek sıcaklıklara (1700°C'ye kadar) dayanabilen, yüksek bir mekanik mukavemete sahip, birçok kimyasala karşı dirençli olmakla birlikte; darbelere karşı kırılgan ve hassas olabilmektedir. Silika aerojeller, alümina aerojellere göre daha düşük mekanik mukavemete sahip olmakla birlikte, yüksek sıcaklıktaki kırılganlığı, sinterleme davranışı, yüksek maliyeti gibi tüm bu olumsuzluklara çözüm olmak ve termal kararlılığı arttırmak için alümina-silika esaslı kompozit aerojel üretimi özellikle doğal hammadde kaynaklarımız ve atık malzeme kullanılarak yapılmıştır. Böylece silika aerojele daha yüksek termal ve boyutsal kararlılığa sahip bir refrakter malzemenin (alümina gibi) eklenmesi ile oluşturulan kompozit aerojelin termal kararlılığının arttırılması sağlanacaktır. Mevcut çalışmada pahalı sentetik başlangıç kimyasalları yerine ülkemizde rezervi bol olan hammaddelerden şamot tuğlası, eloksal atık, perlit, zeolit, diatomit ve vollastonit kullanılarak farklı Si ve Al elementel oranlarına sahip hafif, düşük yoğunluklu, iyi mekanik özelliğe, termal dayanıklılığa ve düşük termal iletkenliğe sahip yalıtım alanında kullanılanlara alternatif olarak kullanılabilecek alümina-silika esaslı aerojel tozları üretilmiştir. Sol-jel tekniği ile çözeltiye alınan doğal ve atık malzemeler, jelleşme ve yaşlandırma prosesleri tamamlandıktan sonra atmosferik şartlarda kurutulmuş ve üretilen aerojel tozlarının karakterizasyonu, FT-IR, SEM ve FESEM-EDS, XRD, BET, termal iletkenlik ve yoğunluk analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda sentezlenen alümina-silika esaslı aerojel tozlarının nano boyutlarda, mikro ve mezo gözenekli yapıya (~1,9-2,1 nm) sahip oldukları görülmüştür. FTIR analizlerinde görülen -OH pikleri, yapıda fiziksel suyun adsorblandığını, Si-O-Al ve Si-O-Si pikleri, üretilen aerojel tozlarının kuvvetli Al ve Si bağlarını içerdiğini göstermektedir. BET analiz sonuçlarına göre, alümina-silika esaslı aerojel tozlarının yüzey alanları, partikül boyutları (gözenek çapı ve genişliği), gözenek hacimleri belirlenmiş olup; yüzey alanları 13,36-248,35 m2/g aralığında, gözenek çapları 18,783-20,01 Å aralığında, gözenek genişliği 20,574-20,968 Å aralığında, ortalama partikül boyutları 241,598-4492,363 Å aralığında ve gözenek hacimlerinin 0,006416-0,12199 cm3/g aralığında olduğu görülmüştür. Termal iletkenlik testinde alümina-silika esaslı aerojel tozlarında beklenen düşük termal iletkenlik katsayıları elde edilmiş olup; 0,0608-0,0950 W/mK aralığında olduğu tespit edilmiştir. Hacmi belli olan bir kap yardımıyla alümina-silika esaslı aerojel tozlarının yoğunlukları ölçülmüş ve oldukça düşük değerler (0,176-0,825 g/cm3 aralığında) tespit edilmiştir. Termal iletkenlik ve yoğunluk değerlerinin daha düşürülebilmesi için yeterli tozun bulunduğu numuneler için ekstra bir yıkama adımı daha yapılmış olup yeni yoğunluk değerleri 0,14-0,34 g/cm3 aralığında, termal iletkenlik katsayıları da 0,058-0,0778 W/mK aralığında tespit edilmiştir.