emre ay aplİkasyon uzmani - atomika teknik · •kullanım alanları farklılık göstersede,...
TRANSCRIPT
EMRE AY APLİKASYON UZMANI
İÇERİK • Gas Adsorpsiyonu
• Isotherm
• Yüzey Alanı
• Temel Sistem Yapısı
• Örnek Hazırlığı (Degas)
➢Degas Ekipmanları
• Uygulama Alanları
• Kimyasal Adsorpsiyon
• Diğer Cihazlar
© 2012, Quantachrome Corp.
PARTİKÜL ÖZELLİKLERİ
• Boyut ve Şekil
• Yüzey Alanı*
• Gözeneklilik*➢Gözenek boyutu*
➢Gözenek Hacmi*
• Density
* Gas Adsorpsiyonu Yöntemi ile Ölçülebilir !!!
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
GAS
ADSORBSİYONU
Methods for Pore Size Characterization
According to : P. Klobes, and K. Meyer (BAM, Germany)
© 2012, Quantachrome Corp.
PYHSISORPTION• Gas moleküllerinin numune yüzeyine tutunmasına gas
adsoprsiyonu denilir.
• Gas adsorpsiyonu tüm yüzey üzerindeki gözenek ve düzensizliklerin derinlemesine analizini sağlamaktadır.
• Gas adsorpsiyonu fiziksel bir işlem olduğundan dolayı ‘’Physisorption’’ olarak da isimlendirilmektedir.
• Physisorption genellikle zayıf ve geri alınabilir bir reaksiyondur.
• Adsorplanan gaz miktarından, methodlar yardımı ile malzemenin yüzey alanı hesaplanır.
© 2012, Quantachrome Corp.
• Adsorptive: Kullanılan gaz
• Adsorbate: adsorblanmış gaz
• Adsorbent: Örneğimiz
• P0: Gazımızın doygunluk basıncı
• P/P0: Relative basınç
© 2012, Quantachrome Corp.
Adsorpsiyon İşlemi
Adsorbent
AdsorbateAdsorptive
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
ISOTHERMS
© 2012, Quantachrome Corp.
The Isotherm
• Adsorplanan gaz miktarının relative basınca
göre değişimini gösteren grafik.
• Sıcaklık (sabit)
• Basınç (Kontrollü değişken)
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
GÖZENEK BOYUT SINIFLANDIRMASI
© 2012, Quantachrome Corp.
Düşük Basınç Davranışı
Düşük basınçlarda öncelikle mikro
gözenekler dolmaya başlar.
© 2012, Quantachrome Corp.
Düşük Basınç Davranışı
The “knee”
Monolayer(İlk katman) düşük basınçlarda
oluşmaya başlar ve ‘’diz’’ kısmı bize ilk
katman oluşumunun tamamlandığını bildirir.
© 2012, Quantachrome Corp.
Orta Basınç Davranışı
Çoklu katman oluşumu, ilk katman
tamamlandıktan sonra daha yavaş bir
hızda oluşmaya başlar.
© 2012, Quantachrome Corp.
Yüksek Basınç Davranışı
“Capillary Condensation” yani kılcal
yoğuşma mekanizması ile mezo
gözenekler yüksek basınçta dolmaya
başlar.
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
4)
2
© 2011, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
YÜZEY ALANI NEDİR?
• Yüzey; katı malzemelerin ‘etrafı’ ile
etkileşebilen miktarının ifadesidir.
© 2012, Quantachrome Corp.
YÜZEY ALANI HESABIYüzeye tutunan gaz moleküllerinin sayısından numunenin toplam yüzey alanı hesaplanır
© 2012, Quantachrome Corp.
Area
Yüzey alanı;
• parçacıkların bölünmesi
(boyut küçülmesi) ve
gözenek oluşumu ile çoğalır.
• Sinterleme, eritme vs.
işlemler ile azalır.
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
Langmuir Theory
• Langmuir adsorpsiyon kinetiğini şu şekilde
ifade ediyor;
• Adsorpsiyon ve desoprsiyon hızı birbirine
eşittir.
• Adsorpsiyon sırasında açığa çıkan ısı
miktarı sabit and adsorpsiyonun oluşma
[i] I. Langmuir, J. Amer. Chem. Soc., 40, 1368 (1918)
© 2012, Quantachrome Corp.
Langmuir Theory
• Adsorpsiyonu sadece monolayer (tek katman)
boyutuna sınırlandırıyor :
• V=Adsorplanan gaz miktarı
• Vm=Monolayer gaz kapasitesi
• K=Katı-gaz adsorpsiyon enerjisi
• P= Gaz basıncı
• Mikro gözeneğe sahip numunelerin yüzey
alanı hesabında kullanılır.
KP
KP
V
V
m 1
© 2012, Quantachrome Corp.
THE BRUNAUER-EMMETT-TELLER (BET) YÜZEY ALANI TEORİSİ
© 2012, Quantachrome Corp.
• Yüzey alanı hesabında en çok kullanılan yöntem
ÖLÇÜM MEKANİZMASI
© 2012, Quantachrome Corp.
Ölçüm İlkesi
• Temel adsorpsiyon prosedürü şu iki
temele dayanmaktadır;
• Gaz basınç kontrolü
➢Hassas basınç sensörleri kullanılır.
• Adsorplanan gaz miktarının ölçümü
© 2012, Quantachrome Corp.
Vakum-Volumetrik(Manometrik)
• P/P0 relative basıncı vakum sayesinde sağlanır.
• Po kullanılan gazımızın ortam sıcaklığındaki
yoğuşmaya başladığı noktayı ifade etmektedir.
• Adsorpsiyon işleminden doğan basınç
değişiklikleri hassas ve yüksek doğruluktaki
basınç sensörleri vasıtası ile izlenir.
© 2012, Quantachrome Corp.
SICAKLIK• Adsorpyion işlemi
basınç ile doğru, sıcaklık ile ters orantılıdır.
• N2@77K
© 2012, Quantachrome Corp.
TEMEL SİSTEM YAPISI
Cihazın Ölçüm Mekanizması
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
Vakum pompası ile
manifold ve örnek
hücresi vakum altına
çekilir.
© 2012, Quantachrome Corp.
Sıvı Azot
© 2012, Quantachrome Corp.
Vanalar kapalı halde
sistemin dengeye gelmesi
beklenir
© 2012, Quantachrome Corp.
Gaz giriş vanası açılır ve
gaz girişi sağlanır.
© 2012, Quantachrome Corp.
Dengedeki sistemde
manifold basıncı
kaydedilir, P1
© 2012, Quantachrome Corp.
Hücre vanası açılır ve
manifold’daki gazın
hücre dolması
sağlanır.
© 2012, Quantachrome Corp.
Basıncın tekrar dengeye
gelmesi beklenir ve
kaydedilir, P2.
Sistem Şeması
© 2012, Quantachrome Corp.
Çalışma Denklemi
• Evrensel gaz yasasına dayanmaktadır:
PV = nRT• Adsorplanan gaz miktarı:
nads = ndosed - nvoid
nads = (PV/RT)man. - (PV/RT)cell
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
Örnek Hazırlığı
• Gözenekler nem ve diğer kontaminantlar ile kapalıdır
• Gözeneklerin bu kontaminantlardan temizlenmesine
DEGAS işlemi denilmektedir.
• Temizlenen yüzeye ve açılan bu gözeneklere gaz
moleküllerini tutunması amaçlanmaktadır.
• Yüzey alanı spesifik yüzey alanı yani m2/g cinsinden
ifade edilmektedir.
• Bu yüzden temiz numune miktarı hesaplamada kritik
öneme sahiptir.
© 2012, Quantachrome Corp.
Degas işlemi
• Örnek vakum ya da gaz akışı uygulaması ile, sıcaklık
altında nem ve diğer kontaminantlardan arındırılır.
Ne kadar sıcaklık?
© 2012, Quantachrome Corp.
Ne kadar sıcaklık??• Örnek hazırlığı için uygun sıcaklık ne kadar
olmalı?• Numune özelliklerini değiştirmeden yüzeydeki
tutunmuş maddeleri uzaklaştırmaya yetecek en
yüksek sıcaklık.
• Katıyı eritecek kadar ya da camsı geçiş sıcaklığını(Tg)
geçecek kadar yüksek olmamalıdır.
• Tg=(erime noktası*0.7)K cinsinden ifade edilebilir.
© 2012, Quantachrome Corp.
Vakum mu Gaz Akışı mı?
• Gaz akışı uygun sıcaklıkta zayıf bağlar ile tutunmuş
su moleküllerinin uzaklaştırılmasını sağlayabilir.
• Fakat küçük gözeneklerin derinlikerinde saklanan su
moleküllerin uzaklaştırılmasında yeterli olmayabilir.
• Vakum degas işlemi çok daha etkili bir şekilde
uzaklaştırma sağlayabilir.
• Bu da özellikle mikro gözenekli numunelerin
analizinde son derece önemlidir.
© 2012, Quantachrome Corp.
Degas Ekipmanları• Autosorb 1, Autosorb iQ, ve Nova dahili degas
sistemlerine sahiptir.
© 2012, Quantachrome Corp.
Degas Ekipmanları.)
• MasterPrep Degasser• 6 tane bağımsız istasyon.
• Gaz akışı yada vakum degas imkanı.
• 6 kanallı dijital sıcaklık kontrol ayarı.
• Akış ve vakum hızlarının kullanıcı
tarafından belirlenmesi
• Sıcaklık aralığı (35 - 450°C)
• Birden fazla degas hız ayarlama
imkanı.(Multiple ramp rates)
• Windows® tabanlı kontrol yazılımı
© 2012, Quantachrome Corp.
Degas ekipmanlarıcont.)• Autosorb Degasser• 6 tane bağımsız istasyon.
• Vakum degas.
• Dijital sıcaklık göstergesi ve
kontrolü.
• Dijital zaman ayarlayıcı.
• Opsiyonel Turbo moleküler
pompa(mikro gözenekli numune
hazırlama)
• Sıcaklık aralığı(35 - 400°C)
© 2012, Quantachrome Corp.
Degas Ekipmanları• FlowVac Degasser• 6 örnek hazırlama istasyonu
• Vakum yada akış seçeneği
• Ayarlanabilir kontrol vanaları
• Degas hızını gösteren vakum tüpü.
• Sıcaklık aralığı (35 - 400°C)
• Sıcaklık artış hızı(1°C/Min)
© 2012, Quantachrome Corp.
Degas Ekipmanları(cont.)
• Flow Degasser• 6 örnek hazırlama istasyonu
• Gaz akışı
• Gaz kontrol vanası
• Sıcaklık aralığı(35 - 400°C)
• Sıcaklık artış hızı(1°C/Min)
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
Diğer Gazlar
• N2 at 77K en çok kullanılan fakat farklı amaçlar için
farklı gazlarda kullanılır.
• Argon at 87K > daha hızlı adsorpsiyon kinetiği ve
yüksek relative basınç > Mikro gözenek.
• CO2 at 195 or 273 > Karbon gibi ultra mikro gözenekli
numuneler için ideal seçim.
• Krypton at 77K > düşük yüzey alanı ölçümünde
kullanılır
• H2, CO2, or CH4 > Numunelerin adsorpsiyon
kapasitesini belirlemek için kullanılır.
© 2012, Quantachrome Corp.
Argon at 87K ve 77K
• Apolar ve inert bir gaz olmasından dolayı yüzey ile her
hangi bir etkileşime girmez.
• At 87K > adsorpsiyon kinetiği hızından dolayı
zamandan tasarruf sağlar.
• 77K için sıvı azot kullanılır.
• 87K için;• Sıvı argon
• Cyrocooler (20-320K)
• CyroSync * (sıvı azot kullanıyor)
© 2012, Quantachrome Corp.
Carbon Dioxide at 195K&273K & 273K
• CO2 yüksek relative basıncından dolayı özellikle ultra
mikro gözenekli numunelerde(karbon gibi) kullanılır.
• Kuru buz/acetone banyosu ya da cryostat > 195K
• Su-buz banyosu > 273K
• Zeolites, Silica, or MOF gibi polar yüzey gruplarına
sahip numuneler için ideal değil.
• CO2 yüksek quadrupole moment’a sahip.
• Herhangi bir ekstra donanıma ihtiyaç duymuyor.
© 2012, Quantachrome Corp.
UYGULAMA ALANLARI
© 2012, Quantachrome Corp.
SERAMİK-KALSİT
SERAMİK-KALSİT
• Kullanım alanları farklılık göstersede, ölçüm mekanizması ortaktır.
• Tane boyutundan başka Yoğunluk-yüzey alanı-gözeneklilik-gözenek hacmi-su içeriği yapısal karakteristiği belirleyen en önemli parametrelerdir.
• Quantachrome cihaz portföyü tüm bu parametrelerin doğru ve tekrarlanabilir bir şekilde hesaplanmasına olanak sağlamaktadır.
© 2012, Quantachrome Corp.
GAS PİKNOMETRESİ YARDIMI İLE GERÇEK YOĞUNLUK ÖLÇÜMÜ
Ultrapyc 1200e
Pentapyc 5200e
© 2012, Quantachrome Corp.
Manual Pycnometers
GAS PYCNOMETER YARDIMI İLE GERÇEK YOĞUNLUK ÖLÇÜMÜ
• Sıvı piknometrelerin aksine çözünme sorunu ya da yoğunluk limiti gibi problemlerle karşılaşılmaz.
• Sinterleme işlemi sırasındaki yoğuşma oranını ve kapalı gözeneklerin varlığı analiz edilebilir.
• He&N2 gibi inert gazların kullanılmasından dolayı herhangi bir güvenlik sorunu ile karşılaşılmaz
• Çok az gaz kullanması ve herhangi bir solvent ihtiyacının olmaması seramik ve cam endüstrisinde yaygın bir şekilde kullanılmasını sağlamaktadır.
© 2012, Quantachrome Corp.
AUTOTAP&DUAL TAP-BULK YOĞUNLUK
• Hızlı ve kolay bir şekilde bulk yoğunluğu ve gözenek hacim ölçümü
© 2012, Quantachrome Corp.
YÜZEY ALANI
• Biyoseramik alanında yüzey alanı ve dolayısıyla gözeneklilik son derece önemli bir parametredir
• Elektriksel iletkenlik, manyetik özellik, geçirgenlik, UV koruması, optik ve sıcaklık özellikleri, sertlik ve diğer yapısal özelliklerin çoğu yüzey alanı ile doğrudan ya da dolaylı yoldan ilgilidir.
© 2012, Quantachrome Corp.
YÜZEY ALAN CİHAZLARI
© 2012, Quantachrome Corp.
AUTOSORB IQ SERIES• 2 ölçüm istasyonu ile
beraber turbo moleküler pompalı 2 degas istasyonu
• Hassas soğutucu sıvı ölçüm sensörü.
• Yaklaşık 0.0005m2/g yüzey alanına kadar ölçebilme kapasitesi.
• 0.35-500nm gözenek boyut ölçüm aralığı
• Windows ile tam uyumlu 64 Bit yazılım.
• Kimyasal adsorpsiyon seçeneği
© 2012, Quantachrome Corp.
NOVA Touch• 1-4 tane analiz portu
• 4 tane degas portu
• Ayrı Po hücresi
• Hızlı ve güvenilir yüzey alanı ve gözeneklilik ölçümü
• Touch Screen sayesinde kullanım kolaylığı.
• Vakum ve gaz akış degas özelliği
© 2012, Quantachrome Corp.
QUADRASORB SI SERİES• 4 adet birbirinde bağımsız
analiz portu
• Her portun kendine ait dewar ve basınç sensörü
• Hızlı ve birbirinden bağımsız analiz imkanı.
• 0.0005m2/g’a kadar yüzey alanı
• 0.35-500nm aralığında gözenek ölçümü
• 64 Bit Windows uyumlu yazılım
© 2012, Quantachrome Corp.
AUTOSORB ISA
• 6 adet birbirinden bağımsız analiz portu
• Her bir portun kendine ait dewarı bulunmaktadır.
• 0.5m2/g’a kadar yüzey alan ölçüm aralığı
• Hassas soğutucu seviye sensörü
• 2-500nm gözenek boyut aralığı
• 64 Bit Windows uyumlu yazılım
© 2012, Quantachrome Corp.
GÖZENEKLİLİK• Gözeneklilik ürün sentezinde kontrol edilmesi gereken en
önemli parametrelerdendir.
• Gözeneklilik tam anlamıyla anlaşılmalı, kolayca belirlenmeli ve process boyunca kontrol edilmeli.
• Gözenekliliğin numune üzerinde pozitif ve negatif etkileri bulunmaktadır.
• Gözenek boyutları partikül boyutuna, hammaddemizin şekline ve eklenen dolgu malzemelerine bağlıdır.
© 2012, Quantachrome Corp.
GÖZENEKLİLİĞİN BİLGİSİNİN ÖNEMİ
• Problem gözenek hacmi ve boyutunun tüm aşamalarda takip edilmemesinden kaynaklanıyor.
• Fakat sadece tanecik boyutuna bakarak ve son numunemizin gözenek dağılımını bilmeden blendimizin homojenliği hakkında bir fikre sahip olamayız.
• Küçük gözenekler büyük gözeneklere göre termal olarak daha aktif olduğundan, eğer büyük gözenekli bir malzeme kullanılıyorsa son numunemizde hala gözenek görmek sürptiz bir durum değildir.
• Son üründe görülen bu gözenekler ürün sertliğini etkileyen en önemli faktördür.
© 2012, Quantachrome Corp.
CİVALI POROSIMETRY-POREMASTER SERIES
• Düşük ve yüksek basınç istasyonları
• Düşük basınç: 0.1-50 psia
• Yüksek basınç: ortam – 60.000 psia
• Makro gözenekli numuneler başta olmak üzere komple gözenek karakterizasyonu
• Gas adsoprsiyon cihazlarının tamamlayıcısı.
• PSD-yüzey alanı-gözenek şekli-pore hacmi vs.
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
SU ADSOPRSİYONU
• Yapı malzemeleri ve seramikte nem adsorpsiyon bilgisi son derece kritik öneme sahiptir.
• Su emilimi yapısal ve boyutsal değişikliklere neden olduğundan dolayı, bu özelliğin bilinmesi ve kontrol edilebilmesi son ürün kalitesini doğrudan etkileyen bir etkendir.
• Kullanılan hammaddenin su tutma kapasitesinin bilinmesi hammadde alım aşamasında ya da ürün geliştirmede son derece önemlidir.
© 2012, Quantachrome Corp.
© 2012, Quantachrome Corp.
Water sorption-Aquadyne DVS
© 2012, Quantachrome Corp.
KİMYASAL ADSORPSİYON
• Adsorpsiyon işleminin kimyasal bir reaksiyon sonucunda oluşmasına kimyasal adsorpsiyon (chemisorpstion) denilmektedir.
• Kimyasal adsorpsiyon genellikle aktivasyon enerjisi ile ilişkilendirilir.
• Çünkü adsorplanan gaz molekülü ile yüzeyin adsorpsiyonişlemini gerçekleştirebilmesi için gaz molekülünün yüksek enerji bariyerini aşması gerekmektedir.
© 2012, Quantachrome Corp.
FİZİKSEL VE KİMYASAL ADSORPSİYON
Property Physisorption Chemisorption
Forces van der Waals Chemical bonding
Hads
(kJ mol-1
) < 40 50-200
Ea
(kJ mol-1
) Rare 60–100
Isothermal Reversibility
Complete Slow or none
Extent Multilayers Monolayer
© 2012, Quantachrome Corp.
GAZ SEÇİMİ
© 2012, Quantachrome Corp.
FLOW CHEMI – AUTOSORB IQ-C WITH TCD OR PULSAR
Chemisorption (Kimyasal Adsorpsiyon)
DİĞER CİHAZLAR
© 2012, Quantachrome Corp.
POROMETER
• 3 farklı modele sahip
• 0.02-500um aralığında gözenek boyut analizi
• Hızlı analiz süresi(10dk)
© 2012, Quantachrome Corp.
YÜKSEK BASINÇ ADSORPSİYON CİHAZI
© 2012, Quantachrome Corp.
ISorb
• H2, CH4 ve CO2
depolama
kapasitesi
© 2012, Quantachrome Corp.
Micro Rotary Riffler Sieving Rotary Riffler
Divides up to 150 cc of
powder into eight
representative
samples.
-Divides up to 2,500 cc of
powder into eight
representative samples.
-May employ a sieve for
large particle rejection
prior to division.
TEORİK EĞİTİM SONU
Aplikasyon Uzmanı
Emre Ay
0549 807 0180
© 2011, Quantachrome Corp.
www.atomikateknik.com
www.quantachrome.com