Zeolit 4a kaplamalarına uygulanan sentez sonrası işlemde farklı polimerler kullanımının etkileri

Zeolitler, kataliz, adsorpsiyon/ayırma ve iyon-değişimi gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilen kristalin mikrogözenekli alüminosilikatlardır. Isıtma ve soğutma eldesinde kullanılabilen adsorpsiyon ısı pompalarının çevre dostu olmak ve güneş enerjisi ile atık ısı gibi ısı kaynaklarından faydalanmak gibi avantajları mevcuttur. Zeolitler, yüksek su adsorpsiyon kapasitelerinin yanı sıra uygun adsorpsiyon izoterm tiplerine de sahip olduklarından adsorpsiyon ısı pompası uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Zeolitlerin metal altlıklar üzerinde kaplama olarak hazırlanması ile bu cihazların performanslarında dikkat çeken bir gelişme elde edilmiştir. Metal yüzeyler üzerinde doğrudan kristallenen zeolit kaplamaları, ısı ve kütle transfer sınırlamalarını büyük ölçüde ortadan kaldırabilmektedir. Isı değiştiricinin metal yüzeyi ile zeolit arasındaki iyi temas, ara yüzeydeki ısı transferi kalitesini artırabilirken, kütle iletimi ile ilgili kısıtlamalar ise kaplamanın kalınlığı istenilen miktarda ayarlanarak giderilebilir. Metal yüzeyleri üzerinde oldukça kalın zeolit kaplamaları hazırlanabilmiştir. Kaplamanın açık veya kompakt yapıda olması gibi özellikleri de ısı pompalarının performanslarını etkilemektedir. Nispeten yüksek difüzyon katsayıları için kalın zeolit kaplamalarının kompakt yapıda olmaması gereklidir. Ayrıca, kaplamaların mekanik ve ısıl stabiliteleri, bu malzemelerin ticari adsorpsiyon pompalarında başarıyla kullanılabilmeleri için en kritik noktalardan biridir. Zeolit kaplamaları değişik yöntemler kullanılarak hazırlanabilir. Nispeten kalın ve açık yapıdaki kaplamalar özellikle doğrudan ısıtma yöntemi kullanılarak elde edilebilir. Bu sentez yönteminde, metal destek bir ısıtıcı rezistans tarafından doğrudan ısıtılırken, rekasiyon çözeltisi bir su banyosu yardımıyla daha düşük bir sıcaklıkta tutulmaktadır. Bu şekilde, çözeltideki reaksiyon büyük ölçüde engellenirken metal destek üzerindeki reaksiyon desteklenmektedir. Daha önceki çalışmalarda, doğrudan ısıtma yöntemi kullanıldığında, oldukça kalın, açık ve stabil zeolit A ve X kaplamalarının paslanmaz çelik yüzeylerinde hazırlanabildiği gözlenmişti. Ancak, zeolit kaplamalarının ek bir poliakrilik asit tabakası ile de kaplanmasının kaplamaların uzun vadeli mekanik ve ısıl stabilitelerini artırarak ticarileşmelerini sağlayabileceği belirtilmiştir. Bu çalışmanın amacı, zeolit 4A kaplamalarını polivinil asetat, polivinil alkol ve selüloz asetat gibi polimerler ile de kaplayarak kaplamaların stabilitelerini arttırmak ve değişik polimerlerin bu amaç için yaptığı etkiyi incelemektir. Doğrudan ısıtma ve geleneksel sentez yöntemleriyle elde edilen malzemeler, termogravimetrik analiz (TGA), X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi çeşitli yöntemlerle karakterize edilmiş ve hızlı ısıtma-soğutma ile ultrasonik banyo işlemleri uygulanarak sırasıyla ısıl ve mekanik stabiliteleri tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, daha önce benzer bir amaçla poliakrilik asit polimeri ile kaplanan zeolit kaplamaları için elde edilen sonuçlarla da karşılaştırılmıştır. Değişik şartlar kullanılarak hazırlanan polimer ile kaplı zeolit kaplamaları oldukça farklı desorpsiyon özellikleri göstermiştir. Doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan açık yapıdaki zeolit kaplamaları polimer ile kaplandığında, saf zeolit 4A kaplamalarına kıyasla nispeten yüksek miktarlarda su desorplamıştır. Saf polimerlerden desorplanan su miktarı ise her durumda saf zeolit A'dan daha düşük olduğundan bu durum kompozit kaplamalar için nispeten düşük teorik desorpsiyon değerleri göstermektedir. Selülüz asetat polimeri ile kaplanan numune ise su desorpsiyonu açısından en iyi performansı göstermiştir. Kompozit numunedeki polimer miktarı/kalınlığı arttıkça, polimer kaplamasının desorpsiyon üzerinde yarattığı olumlu etki önemini kaybetmeye başlamıştır. Bu durum, söz konusu numunelerdeki zeolit ile polimer arasındaki temas yüzeyinin polimer miktarı kadar artmamasından kaynaklanmış olabilir. Buna karşılık, geleneksel tekrarlı sentez yöntemi kullanılarak hazırlanan daha kompakt zeolit kaplamaları için daha farklı sonuçlar elde edilmiştir. Bu numuneler için, teorik hesaplamalara uygun olarak, polimer kaplı zeolit kaplamaları saf zeolit A kaplamalarına kıyasla daha az miktarlarda su desorplamıştır. Açık yapıdaki zeolit kaplamalarında, polimerin zeolit tabakası içinde daha derine nüfuz edebilmesinden dolayı, kompakt kaplamalarda nispeten düşük zeolit-polimer etkileşimi mevcut olduğu düşünülmektedir. Kaplama stabilitesi, hem doğrudan ısıtma hem de geleneksel tekrarlı sentez yöntemleri ile hazırlanan zeolit kaplamaları ek bir polimer tabakası ile de kaplandığında artmıştır. Zeolit 4A ve polimer ile kaplı plakalara uygulanan ardışık ultrasonik işlemler ve hızlı ısıtma-soğutma çevrimleri sonucunda, kullanılan polivinil asetat, polivinil alkol ve selüloz asetat polimerlerinin zeolit kaplamalarının stabilitelerini geliştirdiği gözlenmiştir. En yüksek madde kaybı polivinil asetat polimerinin kullanıldığı durum için elde edilmiş olmakla birlikte, genel olarak, kompozit kaplamalardan ihmal edilebilecek miktarda madde kaybı olduğu anlaşılmıştır. Bu çalışmada incelenen polimerler arasında polivinil asetatın en düşük camsı geçiş sıcaklığına sahip olduğu düşünülürse, bu parametrenin de kompozit kaplamaların stabiliteleri üzerinde bir etkisi olduğu düşünülebilir. Daha önceki çalışmalarda, zeolit 4A kaplamalarının poliakrilik asit polimeri ile kaplandığında da kaplama stabilitesinin geliştiği ve desorpsiyon kapasitesinin doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan zeolit kaplamaları için %24'e kadar arttığı gözlenmişti. Bu çalışmada, selüloz asetat, doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan zeolit 4A kaplamalarının desorpsiyon kapasitelerinde en yüksek artışı sağlamıştır. Söz konusu artış, %12 ile sınırlı olsa da bu durum farklı çalışmalarda elde edilen zeolit kaplamalarının kalınlıkları arasındaki farklardan da kaynaklanmış olabilir. Elde edilen sonuçlara göre, doğrudan ısıtma sentez yöntemi kullanılarak hazırlanan açık yapıdaki zeolit kaplamalarının hangi polimer tipi ve miktarı ile kaplandığı, kompozit kaplamaların su desorpsiyonu özelliklerini etkilemiştir. Kompozit kaplamaların stabiliteleri, zeolit kaplamalarının açık veya kompakt yapıda olması, polimer ve zeolit arasındaki etkileşimler, suyun bu malzemeler içindeki difüzyon katsayıları, adsorpsiyon/desorpsiyon kapasitelerindeki değişiklikler ve polimer tabakasının kalınlığı da adsorpsiyon ısı pompaları ve diğer uygulamalarda kullanıma uygun polimer-zeolit kompozit kaplamalarının hazırlanması için göz önüne alınmalıdır.