دانشگاه شیراز

دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز

پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی شیمی

بررسی پارامترهای موثر بر تولید ژل آلومینا به روش سل- ژل

استاد راهنما

دکتر عبد­المحمد علمداری

شهریور ماه 1393

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 می­دهند. 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، پایه­های 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 60 و 32 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 اندازه­گیری و تحلیل شد. نتایج نشان داد که اضافه کردن مقدار2/0 میلی­لیتر اسید نیتریک به ازای 1 میلی­لیتر آلومینیوم تری سک بوت اکساید در محلول 16 درصد وزنی آلومینیوم تری سک بوی اکساید و نسبت مولی آب به پیش­ماده برابر با 2، در دمای 60 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

1. فصل اول: مقدمه                                1

1-1- سل- ژل. 2

1-1-1- تاریخچه فرآیند سل- ژل. 3

1-1-2- مراحل فرآیند سل ژل. 4

1-1-3- تشکیل سل.. 4

1-1-4- تشکیل ژل. 6

1-1-5- مزایای روش سل- ژل. 8

1-2- پیرسازی.. 9

1-3- خشک کردن. 9

1-3-1- خشک کردن محیطی.. 9

1-3-2- خشک کردن فوق بحرانی.. 10

1-3-3- سایر روش ها 12

1-4- ایروژل. 12

1-4-1- تاریخچه ایروژل. 13

1-4-2- خواص ایروژلها 13

1-4-3- انواع ایروژل. 14

1-4-4- کاربرد ایروژلها 16

1-5- ایروژل آلومینا 17

1-6- معرفی سیال فوق بحرانی.. 18

1-6-1- تاریخچه سیال فوق بحرانی.. 19

1-6-2- کاربرد سیال فوق بحرانی.. 20

2. فصل دوم: پیشینه تحقیق                                                                                24

2-1- اهداف پایان نامه. 32

3. فصل سوم: مطالعات آزمایشگاهی 33

3-1- تجهیزات لازم. 34

3-1-1- همزن مغناطیسی هیتر دار 34

3-1-2- دستگاه خشک کن فوق بحرانی.. 35

3-1-3- سایر وسایل آزمایشگاهی.. 38

3-2- مواد. 39

3-2-1- آلومینیوم تری سک بوت اکساید. 39

3-2-2- حلال. 39

3-2-3- اسید. 40

3-2-4- آب دوبار تقطیر. 40

3-3- روش انجام آزمایش… 40

3-3-1- تهیه ژل. 40

3-3-2- خشک کردن ژل. 48

4. فصل چهارم: نتایج و بحث 49

4-1- بررسی زمان تشکیل ژل آلومینا 50

4-1-1- مقایسه بین هیدرولیز یک مرحله­ا­­ی و دو مرحله­ای.. 50

4-1-2- بررسی تاثیر مقدار اسید. 50

4-1-3- بررسی تاثیر نسبت مولی آب به پیش­ماده 53

4-1-4- بررسی تاثیر دما 55

4-1-5- بررسی تاثیر غلظت اولیه محلول. 56

4-1-6- مقایسه بین اسید نیتریک و استیک اسید در واکنش هیدرولیز. 57

4-2- بررسی خشک کردن ژل آلومینا 58

5. فصل پنجم: نتیجه­گیری 62

5-1- نتیجه­گیری.. 63

5-2- پیشنهادات.. 63

6. مراجع                                     64
7. پیوست 1    68

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                        شماره صفحه                                                                         

جدول ‎2‑1: مقایسه خواص ژل خشک شده به سه روش مختلف   26

جدول ‎2‑2: مورفولوژی و اندازه ذره زیروژل در pH های مختلف   31

جدول ‎3‑1: سایر وسایل بکار رفته  39

جدول ‎3‑2: هیدرولیز یک مرحلهای و دو مرحلهای سنتز ژل آلومینا با غلظت 16 درصد وزنی پیش ماده به حلال  44

جدول ‎3‑3: مقادیر مختلف اسید در سنتز ژل با غلظت 16 درصد وزنی پیشماده به حلال در محلول اولیه و هیدرولیز یک مرحلهای   45

جدول ‎3‑4: مقادیر مختلف نسبت مولی آب به پیشماده با غلظت 16 درصد وزنی پیش ماده به حلال در محلول اولیه به روش هیدرولیز یک مرحلهای   46

جدول ‎3‑5: هیدرولیز یک مرحلهای با غلظت 16 درصد وزنی پیش­ماده به حلال در محلول اولیه در دو دمای 32 و 60 درجه سانتیگراد  47

جدول ‎3‑6: هیدرولیز یک مرحله ای پیش ماده در غلظت های مختلف پیشماده به حلال در محلول اولیه  47

جدول ‎3‑7: بکار بردن استیک و نیتریک اسید در هیدرولیز دو مرحله ای با غلظت 16 در صد وزنی پیش­ماده به حلال در محلول اولیه  48

جدول ‏4‑1: نتایج حاصل از هیدرولیز یک و دو مرحله ای پیش­ماده 50

جدول ‏4‑2: نتایج حاصل از آزمایش سنتز ژل در مقادیر مختلف اسید  51

جدول ‏4‑3: نتایج حاصل از آزمایش سنتز ژل در نسبت­های مختلف مولی آب به پیش­ماده 53

جدول ‏4‑4: نتایح حاصل از هیدرولیز در دو دمای 32 و 60 درجه سانتیگراد  55

جدول ‏4‑5: نتایج حاصل از هیدرولیز با غلظت­های مختلف پیش­ماده 56

فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                                        شماره صفحه                                                                         

شکل ‏1‑1: نمای کلی روش سل- ژل  2

شکل ‏1‑2 : نمای کلی از واکنش هیدرولیز  5

شکل ‏1‑3 : تصویر مدل سه بعدی مربوط به واکنش تراکم  7

شکل ‏1‑4 : نمای کلی مراحل مختلف واکنش سل- ژل  8

شکل ‏1‑5 : نمودار فازی فشار- دما برای رسیدن به شرایط بحرانی   11

شکل ‏1‑6 : ایروژل تهیه شده از ملامین با فرمالدهید  15

شکل ‎2‑1: نمایش رفتار ژل آلومینا تحت تاثیرpH   31

شکل ‎3‑1: همزن مغناطیسی هیتر دار 34

شکل ‎3‑2: نمای شماتیک دستگاه آزمایشگاهی خشک کن فوق بحرانی   35

شکل ‎3‑3: نمائی از دستگاه آزمایشگاهی خشک کن فوق بحرانی   36

شکل ‎3‑4: رآکتور 36

شکل ‎3‑5: حمام پارافین   37

شکل ‎3‑6: پمپ خلا  38

شکل ‎3‑7: محلول بعد از اضافه کردن اسید  41

شکل ‎3‑8:  تشکیل میسل   41

شکل ‎3‑9: سل تشکیل شده از میسل ها 42

شکل ‎3‑10: تشکیل ژل و رسوب ژله­ای یا لخته از سل   42

شکل ‎3‑11: لایه کاتیونی-آنیونی تشکیل شده اطراف میسل   43

شکل ‏4‑1: سل آلومینا قبل از اضافه کردن اسید  57

شکل ‏4‑2: سل آلومینا بعد از افزودن اسید a: نیتریک اسید b: استیک اسید  57

شکل ‏4‑3: آنالیز SEM ژل آلومینا خشک شده در a) شرایط محیط b) شرایط فوق بحرانی   60

شکل ‏4‑4: آنالیز SEM ژل آلومینا خشک شده در a) شرایط محیط b) شرایط فوق بحرانی   61

شکل ‏پ1‑1: سل حاصل از حلال متانول  68

شکل ‏پ1‑2: سل حاصل از حلال استن   69

شکل ‏پ1‑3: سل حاصل از حلال اتانول  69

فهرست نمودار ها 

عنوان                                                                                                                        شماره صفحه                                                                      

نمودار ‎2‑1: حجم نسبی ژل بر حسب نسبت مولی اسید به هیدروکسید 24

نمودار ‎2‑2: تاثیر دمای کلسیناسیون روی مساحت ویژه ایروژل در سه چگالی مختلف  27

نمودار ‏4‑1: زمان تشکیل ژل بر حسب حجم اسید در نسبت مولی آب به پیش­ماده برابر با 2 و دمای 32 درجه سانتیگراد  51

نمودار ‏4‑2: جرم رسوب تشکیل شده بر حسب حجم اسید در نسبت مولی آب به پیش­ماده برابر با 2 و دمای 32 درجه سانتیگراد  52

نمودار ‏4‑3: زمان تشکیل ژل بر حسب نسبت مولی آب به پیش­ماده در دمای 32 درجه سانتی گراد و 5/0میلیلیتر اسید نیتریک    54

 نمودار ‏4‑4: جرم رسوب تشکیل یافته بر حسب نسبت مولی آب به پیش­ماده در دمای 32 درجه سانتی گراد و 5/0میلی­لیتر اسید­نیتریک    54

نمودار ‏4‑5: تغییرات دما و فشار راکتور بر حسب زمان خشک کردن ژل آلومینا 58

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.