پایان نامه : بررسی پارامترهای موثر بر تولید ژل آلومینا به روش سل- ژل
بررسی پارامترهای موثر بر تولید ژل آلومینا به روش سل- ژل
استاد راهنما
دکتر عبدالمحمد علمداری
شهریور ماه ۱۳۹۳
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
چکیده
بررسی پارامترهای موثر بر تولید ژل آلومینا به روش سل- ژل
روش سل- ژل یکی از روشهای متداول است که به طور گسترده برای تولید نانوذرات مختلف استفاده میشود. در این روش محلولی از آغازگرها در حضور کاتالیست با آب مخلوط میشوند و واکنشهای هیدرولیز و پلیمریزاسیون اتفاق میافتد. در ادامه فرآیند پلیمریزاسیون ذرات سل یک شبکه سه بعدی به نام ژل تشکیل می دهند. از جمله پارامترهای موثر بر زمان تشکیل ژل آلومینا نسبت مولی آب به الکوکسید، سرعت هیدرولیز، نوع و حجم کاتالیست مورد استفاده، غلظت اولیه پیش ماده و دمای هیدرولیز و خشک کردن است. بعد از تهیه ژل، فاز مایع (حلال) به دو روش خشک کردن تبخیری و فوق بحرانی جدا میشود. ماده حاصله به ترتیب زیروژل و ایروژل نام میگیرد. با توجه به کشش سطحی مایع، اختلاف فشاری در دیواره حفره های ژل به وجود میآید که می تواند قسمت زیادی از حجم حفرههای ژل را از بین ببرد. خشک کردن فوق بحرانی مانع این اتفاق میشود. استحکام، پایداری بالا، ساختار متخلل و مورفولوژی ایروژلها باعث شدهاست که کاربرد گستردهای در سالهای اخیر پیدا کنند. از جمله کاربرد ایروژلها در ساخت عایق حرارتی، انواع جاذب و پایه کاتالیست است. در بین صدها پایه کاتالیست، پایه های از جنس آلومینا به علت مقاومت گرمایی، پایداری شیمیایی و تخلخل بالا بسیار مورد توجه هستند. در پژوهش حاضر سنتز ژل آلومینا به عنوان پایه نانوکاتالیست به کمک هیدرولیز آلومینیوم تری سک بوت اکساید در دو دمای ۶۰ و ۳۲ درجه سانتیگراد، با غلظتهای مختلف پیش ماده و آب و دو نوع متفاوت اسید به عنوان کاتالیست، در مقادیر مختلف بررسی شد. سرعت تشکیل ژل، سرعت هیدرولیز و پلیمریشدن و مقدار ژل سنتز شده اندازه گیری و تحلیل شد. نتایج نشان داد که اضافه کردن مقدار۲/۰ میلیلیتر اسید نیتریک به ازای ۱ میلیلیتر آلومینیوم تری سک بوت اکساید در محلول ۱۶ درصد وزنی آلومینیوم تری سک بوی اکساید و نسبت مولی آب به پیشماده برابر با ۲، در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد مقدار ژل و زمان تشکیل ژل آلومینا بهینه میباشد و بیشترین مقدار ژل در کمترین زمان ممکن حاصل میشود. سپس ژل سنتز شده در شرایط بهینه در دما و فشار محیط و شرایط فوق بحرانی کربن دی اکسید خشک شد و نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی با هم مقایسه شد.
کلمات کلیدی: ژل آلومینا، پارامترهای موثر، نقطه ی ژلی شدن، فوق بحرانی، کربن دی اکسید، ایروژل
فهرست مطالب
عنوان شماره صفحه
- فصل اول: مقدمه ۱
۱-۱- سل- ژل. ۲
۱-۱-۱- تاریخچه فرآیند سل- ژل. ۳
۱-۱-۲- مراحل فرآیند سل ژل. ۴
۱-۱-۳- تشکیل سل ۴
۱-۱-۴- تشکیل ژل. ۶
۱-۱-۵- مزایای روش سل- ژل. ۸
۱-۲- پیرسازی ۹
۱-۳- خشک کردن. ۹
۱-۳-۱- خشک کردن محیطی ۹
۱-۳-۲- خشک کردن فوق بحرانی ۱۰
۱-۳-۳- سایر روش ها ۱۲
۱-۴- ایروژل. ۱۲
۱-۴-۱- تاریخچه ایروژل. ۱۳
۱-۴-۲- خواص ایروژلها ۱۳
۱-۴-۳- انواع ایروژل. ۱۴
۱-۴-۴- کاربرد ایروژلها ۱۶
۱-۵- ایروژل آلومینا ۱۷
۱-۶- معرفی سیال فوق بحرانی ۱۸
۱-۶-۱- تاریخچه سیال فوق بحرانی ۱۹
۱-۶-۲- کاربرد سیال فوق بحرانی ۲۰
- فصل دوم: پیشینه تحقیق ۲۴
۲-۱- اهداف پایان نامه. ۳۲
- فصل سوم: مطالعات آزمایشگاهی ۳۳
۳-۱- تجهیزات لازم. ۳۴
۳-۱-۱- همزن مغناطیسی هیتر دار ۳۴
۳-۱-۲- دستگاه خشک کن فوق بحرانی ۳۵
۳-۱-۳- سایر وسایل آزمایشگاهی ۳۸
۳-۲- مواد. ۳۹
۳-۲-۱- آلومینیوم تری سک بوت اکساید. ۳۹
۳-۲-۲- حلال. ۳۹
۳-۲-۳- اسید. ۴۰
۳-۲-۴- آب دوبار تقطیر. ۴۰
۳-۳- روش انجام آزمایش. ۴۰
۳-۳-۱- تهیه ژل. ۴۰
۳-۳-۲- خشک کردن ژل. ۴۸
- فصل چهارم: نتایج و بحث ۴۹
۴-۱- بررسی زمان تشکیل ژل آلومینا ۵۰
۴-۱-۱- مقایسه بین هیدرولیز یک مرحلهای و دو مرحلهای ۵۰
۴-۱-۲- بررسی تاثیر مقدار اسید. ۵۰
۴-۱-۳- بررسی تاثیر نسبت مولی آب به پیشماده ۵۳
۴-۱-۴- بررسی تاثیر دما ۵۵
۴-۱-۵- بررسی تاثیر غلظت اولیه محلول. ۵۶
۴-۱-۶- مقایسه بین اسید نیتریک و استیک اسید در واکنش هیدرولیز. ۵۷
۴-۲- بررسی خشک کردن ژل آلومینا ۵۸
- فصل پنجم: نتیجه گیری ۶۲
۵-۱- نتیجه گیری ۶۳
۵-۲- پیشنهادات ۶۳
- مراجع ۶۴
- پیوست ۱ ۶۸
فهرست جداول
عنوان شماره صفحه
جدول ۲‑۱: مقایسه خواص ژل خشک شده به سه روش مختلف ۲۶
جدول ۲‑۲: مورفولوژی و اندازه ذره زیروژل در pH های مختلف ۳۱
جدول ۳‑۱: سایر وسایل بکار رفته ۳۹
جدول ۳‑۲: هیدرولیز یک مرحلهای و دو مرحلهای سنتز ژل آلومینا با غلظت ۱۶ درصد وزنی پیش ماده به حلال ۴۴
جدول ۳‑۳: مقادیر مختلف اسید در سنتز ژل با غلظت ۱۶ درصد وزنی پیشماده به حلال در محلول اولیه و هیدرولیز یک مرحلهای ۴۵
جدول ۳‑۴: مقادیر مختلف نسبت مولی آب به پیشماده با غلظت ۱۶ درصد وزنی پیش ماده به حلال در محلول اولیه به روش هیدرولیز یک مرحلهای ۴۶
جدول ۳‑۵: هیدرولیز یک مرحلهای با غلظت ۱۶ درصد وزنی پیشماده به حلال در محلول اولیه در دو دمای ۳۲ و ۶۰ درجه سانتیگراد ۴۷
جدول ۳‑۶: هیدرولیز یک مرحله ای پیش ماده در غلظت های مختلف پیشماده به حلال در محلول اولیه ۴۷
جدول ۳‑۷: بکار بردن استیک و نیتریک اسید در هیدرولیز دو مرحله ای با غلظت ۱۶ در صد وزنی پیشماده به حلال در محلول اولیه ۴۸
جدول ۴‑۱: نتایج حاصل از هیدرولیز یک و دو مرحله ای پیشماده ۵۰
جدول ۴‑۲: نتایج حاصل از آزمایش سنتز ژل در مقادیر مختلف اسید ۵۱
جدول ۴‑۳: نتایج حاصل از آزمایش سنتز ژل در نسبتهای مختلف مولی آب به پیشماده ۵۳
جدول ۴‑۴: نتایح حاصل از هیدرولیز در دو دمای ۳۲ و ۶۰ درجه سانتیگراد ۵۵
جدول ۴‑۵: نتایج حاصل از هیدرولیز با غلظتهای مختلف پیشماده ۵۶
فهرست شکل ها
عنوان شماره صفحه
شکل ۱‑۱: نمای کلی روش سل- ژل ۲
شکل ۱‑۲ : نمای کلی از واکنش هیدرولیز ۵
شکل ۱‑۳ : تصویر مدل سه بعدی مربوط به واکنش تراکم ۷
شکل ۱‑۴ : نمای کلی مراحل مختلف واکنش سل- ژل ۸
شکل ۱‑۵ : نمودار فازی فشار- دما برای رسیدن به شرایط بحرانی ۱۱
شکل ۱‑۶ : ایروژل تهیه شده از ملامین با فرمالدهید ۱۵
شکل ۲‑۱: نمایش رفتار ژل آلومینا تحت تاثیرpH ۳۱
شکل ۳‑۱: همزن مغناطیسی هیتر دار ۳۴
شکل ۳‑۲: نمای شماتیک دستگاه آزمایشگاهی خشک کن فوق بحرانی ۳۵
شکل ۳‑۳: نمائی از دستگاه آزمایشگاهی خشک کن فوق بحرانی ۳۶
شکل ۳‑۴: رآکتور ۳۶
شکل ۳‑۵: حمام پارافین ۳۷
شکل ۳‑۶: پمپ خلا ۳۸
شکل ۳‑۷: محلول بعد از اضافه کردن اسید ۴۱
شکل ۳‑۸: تشکیل میسل ۴۱
شکل ۳‑۹: سل تشکیل شده از میسل ها ۴۲
شکل ۳‑۱۰: تشکیل ژل و رسوب ژلهای یا لخته از سل ۴۲
شکل ۳‑۱۱: لایه کاتیونی-آنیونی تشکیل شده اطراف میسل ۴۳
شکل ۴‑۱: سل آلومینا قبل از اضافه کردن اسید ۵۷
شکل ۴‑۲: سل آلومینا بعد از افزودن اسید a: نیتریک اسید b: استیک اسید ۵۷
شکل ۴‑۳: آنالیز SEM ژل آلومینا خشک شده در a) شرایط محیط b) شرایط فوق بحرانی ۶۰
شکل ۴‑۴: آنالیز SEM ژل آلومینا خشک شده در a) شرایط محیط b) شرایط فوق بحرانی ۶۱
شکل پ۱‑۱: سل حاصل از حلال متانول ۶۸
شکل پ۱‑۲: سل حاصل از حلال استن ۶۹
شکل پ۱‑۳: سل حاصل از حلال اتانول ۶۹
فهرست نمودار ها
عنوان شماره صفحه
نمودار ۲‑۱: حجم نسبی ژل بر حسب نسبت مولی اسید به هیدروکسید ۲۴
نمودار ۲‑۲: تاثیر دمای کلسیناسیون روی مساحت ویژه ایروژل در سه چگالی مختلف ۲۷
نمودار ۴‑۱: زمان تشکیل ژل بر حسب حجم اسید در نسبت مولی آب به پیشماده برابر با ۲ و دمای ۳۲ درجه سانتیگراد ۵۱
نمودار ۴‑۲: جرم رسوب تشکیل شده بر حسب حجم اسید در نسبت مولی آب به پیشماده برابر با ۲ و دمای ۳۲ درجه سانتیگراد ۵۲
نمودار ۴‑۳: زمان تشکیل ژل بر حسب نسبت مولی آب به پیشماده در دمای ۳۲ درجه سانتی گراد و ۵/۰میلیلیتر اسید نیتریک ۵۴
نمودار ۴‑۴: جرم رسوب تشکیل یافته بر حسب نسبت مولی آب به پیشماده در دمای ۳۲ درجه سانتی گراد و ۵/۰میلیلیتر اسیدنیتریک ۵۴
نمودار ۴‑۵: تغییرات دما و فشار راکتور بر حسب زمان خشک کردن ژل آلومینا ۵۸
۱-۱- سل- ژل
فرآیند سل- ژل[۱] یک روش شیمیایی تر[۲] برای سنتز انواع نانوساختارها به ویژه نانوذرات اکسید فلزی می باشد. در این روش پیش ماده مولکولی (معموﻻً آلکوکسید فلزی) در آب یا آلکل حل شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز/الکلیز به ژل تبدیل میشود. شکل ۱-۱ نمای کلی از فرآیند سل- ژل را نشان میدهد (Niederberger and Pinna, 2009).
شکل۱-۱: نمای کلی روش سل- ژل (Niederberger and Pinna, 2009)
