Bentonit ve montmorillonit dispersiyonlarının reolojik, viskoelastik ve kolloidal özellikleri üzerine organik ve inorganik tuzların etkisi
The effect of organic and inorganic additivies on the rheological, viscoelastic and colloidal properties of bentonite and montmorillonite dispersions
- Tez No: 104267
- Danışmanlar: PROF. DR. NURFER GÜNGÖR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Bentonit, Kolloidler, Montmorillonit, Reoloji, Tuz, Viskoelastisite, Zeta potansiyeli, Bentonite, Colloids, Montmorillonite, Rheology, Salt, Viscoelasticity, Zeta potential
- Yıl: 2001
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
BENTONİT VE MONTMORİLLONIT DİSPERSIYONLARININ REOLOJİK, VİSKOELASTİK, KOLLOİDAL ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ORGANİK VE İNORGANİK TUZLARIN ETKİSİ ÖZET Bentonit-su sistemlerinin reolojik, viskoelastik ve kolloidal özelliklerinin belirlenmesi bu sistemlerin karakterizasyonu için çok önemlidir. Özellikle ortama elektrolit, yüzeyaktif ve polimer ilave edildiğinde akış özelliklerinde değişimler gözlenir. Bentonit-su sistemlerinin endüstrideki kullanım alanlarını belirlemek için bu akış özelliklerinin tanımlanması gerekir. Bentonit dispersiyonlarının akış davranışı; partikül boyutu, partikül şekli, katı oranı, değişebilir katyonların tipi, katkı konsantrasyonu, pH ve etkileşme davranışlarına bağlı olarak; bir akma gerilme değerine sahip pseudoplastik reolojik model olarak tanımlanabilir. Sistemin reolojik davranışı kil partikülleri arasındaki Coulomb ve van der Waals etkileşmeleri ile ortaya çıkan itme ve çekme kuvvetlerinin karşılıklı etkisi ile tanımlanır. Bu etkileşmeler sonucunda EE (kenar-kenar), EF (kenar-yüzey) ve FF (yüzey-yüzey) bitişmeleri oluşabilir. Partiküller arasındaki bu basit bitişme modelleri bu sistemlerin kararlılık ve reolojik özelliklerinin anlaşılmasında oldukça kullanışlıdır. Bu çalışmanın amacı yüzeyaktif ve non-iyonik polimer ilavesinde bentonit ve montmorillonit dispersiyonlarının yapısını ve elektrolit ilavesiyle jelimsi bir yapının oluşmasını reolojik, viskoelastik, ve kolloidal parametreler yardımı ile tanımlamaktır. Bu çalışmada, elektrolit ilavesinde, bentonit dispersiyonlarının yapısını belirlemek için reolojik ve viskoelasitk parametreler; kullanılan bentonit ve elektrolit tipine (NaCl, CaCb), katı oranına ve montmorillonitin partikül büyüklüğüne bağlı olarak ölçülmüştür. Kritik koagülasyon değerinden daha küçük elektrolit konsantrasyonlarında bentonit dispersiyonlarının akış davranışı genel olarak difüz çift tabakanın partikülün mobilitesine etkisi ile tanımlanır (ikincil elektroviskoz etki). Katı oranı %3'ü geçtiğinde, bentonit dispersiyonları akma gerilme değerine ve viskoelastik özelliklere sahip olan jelimsi bir yapıya dönüşür. Elektrolit konsantrasyonun artması iyonik çift tabaka kalınlığını azaltır ve partikülleri mobilitesinin arttırır. Bunun sonucunda yaklaşık 0,1-10 mmol/1 CaCl2 ilavesi civarında (bentonit tipine bağlı) akma gerilme değeri ve viskozite minimum bir değere ulaşır. Bu durumda dispersiyon viskoelastik özellikler göstermeyen 'sol' formuna dönüşmektedir. Elektroviskoz minimumun üzerinde, tuz konsantrasyonunun artması ile akış özelliklerinin değerleri de artar. Kenarlar ve yüzeyler arasında, nispeten yüksek konsantrasyonlarda da, kenarlar arasındaki etkileşmenin çekici olmasından dolayı tekrar jel bir yapı oluşmaktadır. Bu durumda tekarar yüksek akma gerilme değeri ve elastik modül değerleri gözlenir. Jelimsi yapılar aynı zamanda tiksotropik davranış xıgösterir. Jellerin oluşumu ve özellikleri bentonit ve tuz tipine bağlı olarak etkilenmektedir. Bunlardan başka, akış davranışı ve viskoelastik özellikler üzerine partikül boyutunun (partikül boyutu 0.2-2u.m) etkisi Na-montmorillonit dispersiyonlarına NaCl ilave edilerek incelenmiştir. Bentonit ve montmorillonit dispersiyonlannın farklı fazları; sol, jel ve sediment, (komplianz) sünüm ölçümleri temeline dayanarak elde edilen, faz diyagramlarında gösterilmiştir. Bentonit ve montmorillonit dispersiyonlannın akış davranışı ve kolloidal özellikleri üzerine yüzeyaktiflerin etkisi; katyonik bir yüzeyaktif (setil trimetil amonyum bromid, CTAB) ve anyonik bir yüzeyaktif (sodyum dodesil sülfat, SDS) için çalışılmıştır. Yüzeyaktifler kil dispersiyonlannın akış davranışına etki etmektedirler. Bununla birlikte montmorillonit dispersiyonları üzerine yüzeyaktiflerin etkisi, diğer killere etkisinden daha komplekstir. Bentonit-yüzeyaktif sistemlerinin tüm reolojik ölçümleri kendi doğal pH değerlerinde yapılmıştır. 5.10“”M' dan daha küçük CTAB konsantrasyonlarında akma gerilme değeri değişmemiştir. Daha sonra CTAB konsantrasyonunun artması ( 1 0“4- 1 0”1 M) (bentonit tipine bağlı) ile akma gerilme değeri ve plastik viskozitenin değeri azalmaktadır. 10“2 M' dan küçük CTAB ilavelerinde Ca-bentonit dispersiyonlannın akış davranışı CTAB konsantrasyonundan bağımsız, fakat daha yüksek konsantrasyonlarda akış parametreleri dikkate değer bir şekilde artmıştır. Düşük yüzeyaktif konsantrasyonlarında SDS anyonik yüzeyaktifınin akış özellikleri üzerine etkisi katyonik CTAB yüzeyaktifıninkiyle benzer. Daha yüksek konsantrasyonlarda, Ca-bentonit dispersiyonlarında, negatif kil partikül yüzeyleri ve anyonik yüzeyaktifler arasında Ca-köprülemesi olmasından dolayı Ca-bentonit dispersiyonlannın akış değerleri Na-montmorillonit dispersiyonlannınkinden daha kuvvetli artmaktadır. Zeta potansiyel, elektrik alanda hareket eden partikül ve onu çevreleyen sıvı arasındaki arayüzeyde oluşan çift tabakadaki elektriksel potansiyeldir. Sistemin kolloidal özelliklerini incelemek için yapılan zeta potansiyel ölçümlerinde, CTAB konsantrasyonunun artması ile zeta potansiyel değeri artmıştır. Zeta potansiyeldeki bu artış partikülün elektrik yükünün CTA+ iyonları tarafından ekranlanması ile açıklanabilir. Sıfır nokta yükünün ölçülmesi CTAB'nin sistemin yapısını defloküleden (10”3 M' dan daha düşük konsantrasyonlar) floküle bir yapıya dönüştürdüğüne kanıttır. Yüksek pH değerlerinde kenar ve yüzeylerin her ikisininde negatif yüklü olmasından ve kenar yüklerinin yüzey yüklerinden daha az olmasından dolayı bentonit dispersiyonlannın kolloidal davranışına SDS'nin etkisi daha az olmaktadır. Non-iyonik polimerler kil dispersiyonlannı kararlı hale getirmek için kullanılan en uygun malzemelerdir.Bu çalışmada endüstrinin de birçok dalında yaygm olarak kullanılan non-iyonik polimer poli etilen glikol (PEG) kullanılmıştır. PEG' in 400, 3000 ve 8000 g/mol'lük üç farklı molekül ağırlıklığı ile çalışılmıştır. Deneysel çalışmalar PEG' in moleküler ağırlığının ve konsantrasyonunun bentonit dispersiyonlannın satbilitesine etkisini göstermek amacıyla yapılmıştır. xuPolimer konsantrasyonun artması ile relatif viskozite değeri (dispersiyonun plastik viskozitesi/ortamın plastik viskozitesi) değişmemekle birlikte, 10“ M'lık PEG ilavesinden sonra plastik viskozite değeri artmıştır. Relatif viskozitenin değişmemesine rağmen, 10”' M'lık PEG ilavesinden sonra plastik viskozitede görülen bu artış, aslında sistemin flokülasyonu ile değil PEG' in su içinde şişmesi ile ilgili olduğu sonucunu çıkarmaktadır. Bentonit mineralleri ile PEG arasındaki etkileşmeleri gösteren XRD çalışmaları d(ooi) basal boşluğunu belirlemek için yapılmıştır. Sisteme yapılan ilk ilaveden itibaren d(ooi) de gözlenen artış, kil minarelleri tabakaları arasındaki değişebilir katyonlarla PEG polimerinin iyon değiştirme reaksiyonu yaptığını göstermektedir. d=f(C) grafikleri incelendiğinde 10“' mol/1'den sonraki polimer ilavelerinde d-boşluğunun hemen hemen sabit kaldığı gözlenmiştir. Bunun anlamı, daha fazla polimer ilave edilsede katyon değiştirme olayı tamamlanmış olacağından, ilave polimerler tabakalar arasına girmeyecektir, bu yüzden daha fazla şişme gözlenmemiştir. İR spektroskopisi ölçümleri sonucunda, özellikle büyük molekül ağırlıklı polimerlerde (PEG 3000 ve PEG 8000) yaklaşık 7.5x1 0”3 mol/1'lik ilaveden sonra spektrumlarda 1101-1116 cm^'de PEG'e ait olan C-O gerilim piklerinin hakim olduğu görülmüş ve bu ilavelerden sonra PEG1 in ortamda serbest halde kaldığı şeklinde yorumlanmıştır. X111
Özet (Çeviri)
THE EFFECT OF ORGANIC AND INORGANIC ADDITIVIES ON THE RHEOLOGICAL, VISCOELASTIC AND COLLOIDAL PROPERTIES OF BENTONITE AND MONTMORILLONITE DISPERSIONS SUMMARY The determination of the rheological, viscoelastic and colloidal properties of bentonite-water systems is very important for the characterization of these systems. Various changes in the flow properties can be observed when especially electrolyte, surfactant and polymer added. It is necessary to describe the flow behaviours of bentonite-water systems to determine their application fields in industry. The flow behavior of the bentonite dispersions can be modelled as the yield pseudoplastic rheological model, which depends on particle size, particle shape, solid content, kind of gegen ions, additive concentration, pH and interaction behaviors. The rheological behavior of the system is determined by a mutual effect of the attractive and repulsive forces between clay particles which interact with each other through Coulombic and van der Waals forces. As a result of these interactions EE (Edge-to-Edge), EF (Edge-to-face) and FF (Face-to-Face) combinations may be obtained. These simple modes of the particle interactions were found to be rather practical in understanding the stability and the rheological behavior. The objective of this work is to define the state of bentonite and montmorillonite dispersions along with the effect of surfactants and non-ionic polymer, and formation, of a gel-like structure by the presence of electrolyte with rheological, viscoelastic and colloidal properties. In this work, we measured the rheological and viscoelastic properties of dispersions depend on the types of bentonite, and electrolyte, the solid content and the magnitude of particle size to define the state of bentonite dispersions in the presence of electrolyte. Generally, the flow behavior of the bentonite dispresions at salt concentrations below the critical coagulation concentration is determined by the influence of the ionic double layers on the mobility of the particles (secondary electroviscous effect). At the solid contents above 3%, the dispersion became gel-like with appearence of yield value and viscoelastic properties. Increasing salt concentration reduced the thickness of the diffuse ionic layers and the immobilization of the particles. As a consequence, the yield value and the viscosity decreased to a minimum at about 0.1-10 mmol/1 CaCİ2 (depending of bentonite). Thus the dispersion turns into a 'sol' form whithout viscoelastic properties. Above the electroviscous minimum, the values of the flow properties increase as the electrolyte concentration was increased. Again a gel formed because the interaction between edges and faces and, at somewhat higher salt concentration, between the faces became attractive. Thus, high yield values and storage moduli were observed. The gel-like dispersions showed pronounced thixotropy. Formation and properties of the gels were influenced by the type of bentonites and electrolytes. xivFurther results are reported on the influenced of particle size (fractions <0.2 um to 2 um) on the flow behavior and viscoelastic properties at different NaCl concentrations of Na-montmorillonite. The different states of bentonite and montmorillonite dispersions: sol, gel and sediment are represented in phase diagrams which were constructed on the basis of compliance (creeping) measurements. The influence of surfactants on the flow behavior and colloidal properties of bentonite and montmorillonite dispersions (2% w/w) was studied for a cationic (cetyltrimetyl ammonium bromide, CTAB) and an anionic surfactant (sodium dodecyl sulfate, SDS). Surfactants influence the flow behavior of clay dispersions. However, the influence of surfactants on montmorillonite dispersions should be more complex than other calys. All rheological measurements of bentonite-surfactant systems were performed at their natural pH values. For CTAB concentrations lower than 5.10“”M yield value remained unchanged. The yield value and plastic viscosity decrease, depending on bentonite, with increasing CTAB concentrations (LIO^-IO'3 M). Flow properties of Ca-bentonite dispersions were independent of CTAB concentartions lower than 10“2M, but they showed a pronounced increase at higher concentrations. The effect of SDS anionic surfactant on flow properties at low concentrations is similar to that of the cationic surfactant, CTAB. At higher concentrations, the flow values increase more strongly in Ca-bentonite dispersions than Na-montmorillonite dispersions because of the Ca-bridging between the negative surface of the clay particles and anionic surfactants. Zeta potential is an electrical potential in the double layer at the interface between a particle, which moves in an electric field, and sorrounding liquid. In zeta potential measurements to determine the colloidal properties of the system, the zeta potential increases with increasing of CTAB. This increase in the zeta potential can be explained by the screaning effect on the electrical charges of particle faces by CTA^ ions. Presence of the zero point charge is evident that CTAB changes the structure of dispersions from a deflocculated (at concentrations below 10”3 M) into a flocculated one. At higher pH values, since both faces and edges are negatively charged and magnitude of edge chareges is less than face charges the influence of SDS is less effective on the colloidal behavior of bentonite dispersions. Non-ionic polymers appear to be well suited for stabilising the clay dispersions. Non- ionic polymer polyethylene glycol (PEG ) and its derivatives are widely used in various industries. Therefore, PEG is selected to use in this study. We used the PEG with different molecular weights (400, 3000 and 8000 g/mol).The experiments were performed to show the influence of the molecular weights and the concentrations of PEG on the rheological behavior of bentonite and montmorillonite dispersions.. The addition of PEG bigger than 10“3 M into bentonite and montmorillonite dispersions gave rise an increase in the plastic viscosity although relative viscosity (plastic viscosity of dispersion/plastic viscosity of medium) was not changed with polymer concentration. This result showed that an increase in plastic viscosity, after xvadding of 10~3 M PEG, is not related to the flocculation of system, but it is related to swelling of PEG in water. XRD analyses that show the interaction between clay and PEG were done to measure d(ooi) spacings. An increase in d-spacing since the addition of first additive proved that ion exchange reaction occured between PEG polymer and exchangeable cation in the interlayer of clay minerals. When we evaluate d=f(C) curves for the PEG concentrations bigger than 10”M, it is seen that d-spacing is almost constant. This means that PEG is not entering into the interlayer any more even if its concentration was increased, because all exchangeable ions already left the interlayer; thus, no swelling is observed. 1R measurements showed that there are C-0 streching peaks at 1101-1116 cm'1 which are belong to PEG after adding 7.5xl0"3 mol/1 PEG to the system expecially for big moleküler weight of polymers (PEG 3000 and PEG 8000). These peaks may be attributed to that PEG is free in the dispersion.
Benzer Tezler
- Yazır (Trakya) bentonitinin boya sanayiinde kıvamlaştırıcı olarak kullanılmak üzere hazırlanması olanaklarının araştırılması
Investigation of beneficiation possibilities of Yazır (Trakya) betonites as rheological agent in the paint industry
KENAN ÇİNKU
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEDRİ İPEKOĞLU
- Asitle aktiflenmiş bir montmorillonitin yüzey asitliğinin belirlenmesi
The Determination of the surface acidity of an acid activated montmorillonite
GÜLCAN AKKUŞ
- Büyükkılıçlı (Silivri) benionitinin döküm ve sondaj sanayii yönünden özelliklerinin incelenmesi
The Study of characteristics of Büyükkılıçlı (Silivri) bantonite according to drilling and foundry
YASEMİN YENİPAZAR
- Kütahya bentonitinin soda aktivasyonu
Soda activation of bentonite from Kütahya region
NURAY YILDIZ KARABUDAK
Doktora
Türkçe
1997
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. AYLA ÇALIMLI
- Bazı bentonit türü killerin teknolojik karekteristiklerinin belirlenmesi
Determination of technological charecteristics of some bentonitic clays
İHSAN BOZDOĞAN