Zirkon kumundan zirkonya esaslı aerojel tozu üretimi

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 3, 12057 - 2070, 21.08.2025

Emine Gizem Yıldız , Demet Taşel , Sertaç Sökesoğlu , Nil Toplan

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1560376

Öz

Zirkon hammaddesi zirkonyaya göre daha ucuz bir malzemedir. Literatür araştırmalarında zirkonya esaslı aerojel üretiminde zirkonyum (IV) peroksit (Zr(OC3H7)4, zirkonil klorür oktahidrat, zirkonyum (IV) klorür ve zirkonyum (IV) oksinitrat hidrat gibi pahalı kimyasalların yerine zirkon kullanılması mevcut çalışmanın daha çevreci ve ekonomik üretim süreçli olduğunu ortaya koymaktadır. Zirkonya esaslı aerojellerin yalıtım, diş dolgu malzemesi, biyo-uyumlu malzemeler, iyonik iletkenliğin istendiği uygulamalar, nano kompozitler ve katalizör olarak birçok uygulama alanı mevcut olduğundan; zirkon gibi ucuz bir hammaddenin katma değeri çok yüksek bir ürün formuna dönüştürülmesi ülkemiz ekonomisi içinde oldukça faydalı olacaktır. Zirkon hammaddesi kullanarak zirkonya esaslı aerojel tozunun üretilmesi hedeflenen mevcut çalışmada zirkonya esaslı başlangıç malzemelerinin, hazırlanan asit/saf su çözeltilerinde karıştırma ve sıcaklık etkisi ile çözünmeleri sağlanmış ve takiben filtrasyon işlemi yapılarak zirkonyaca zengin sıvı çözeltilere ulaşılmıştır. Çözeltilerin pH’ı baz/saf su çözeltisiyle nötralize edilmiş ve sonrasında çözeltiler yaşlandırmaya bırakılmıştır. Yaşlandırma işlemi sonrasında süzülen zirkonyaca zengin çözeltilere, belirlenen sürelerde farklı sıcaklıklarda atmosferik koşullarda kurutma işlemi uygulanmış ve zirkonya esaslı aerojel tozları elde edilmiştir. Elde edilen tozlar XRD, EDS, SEM ve FESEM analizleri ile karakterize edilmiştir. Zirkon hammaddesinin HNO3 ve H2SO4 kullanılarak çözeltiye alındığı deneysel çalışmalarda HNO3 asit konsantrasyonu arttıkça daha verimli üretimlerin gerçekleştirildiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Zirkon , sol-jel , zirkonya aerojel , atmosferik kurutma

Destekleyen Kurum

tübitak

Proje Numarası

TÜBİTAK 2209-A

Teşekkür

TÜBİTAK 2209-A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ ARAŞTIRMA DESTEK PROGRAMI kapsamında 2020 yılında “Zirkon Kumu Hammaddesinden Zirkonya Esaslı Aerojel Tozu Üretimi” başlığı ile desteklenen proje Demet TAŞEL, Emine Gizem YILDIZ, Sertaç SÖKESOĞLU araştırmacılar tarafından 2021 yılında tamamlanmıştır.

Production of zirconia aerogel powder from zircon sand

Öz

Zircon raw material is cheaper than zirconia. The use of zirconia instead of expensive chemicals such as zirconium (IV) peroxide (Zr(OC3H7)4, zirconyl chloride octahydrate, zirconium (IV) chloride, and zirconium (IV) oxynitrate hydrate in the production of zirconia-based aerogels in literature studies reveals that the current study is the more environmentally friendly and economical production process. Since zirconia-based aerogels have many application areas such as insulation, dental filling material, biocompatible materials, applications where ionic conductivity is desired, nanocomposites and catalysts, converting a cheap raw material such as zircon into a product form with a very high added value will be very beneficial for the economy of our country. In the present study, which aims to produce zirconia-based aerogel powder using zircon raw material, zirconia-based starting materials were dissolved in the prepared acid/pure water solutions by stirring and temperature effect, and then zirconia-rich liquid solutions were obtained by filtration. The pH of the solutions was neutralised with base/pure water solution and then the solutions were left for aging. After the aging process, the filtered zirconia-rich solutions were dried under atmospheric conditions at different temperatures for specified periods of time, and zirconia-based aerogel powders were obtained. The obtained powders were characterized by XRD, EDS, SEM, and FESEM analyses. In the experimental studies where zirconia raw material was taken into solution using HNO3 and H2SO4, it was determined that more efficient productions were realized as the concentration of HNO3 acid increased.

Anahtar Kelimeler

Zircon , sol-gel , zirconia aerogel , atmospheric pressure drying

Proje Numarası

TÜBİTAK 2209-A

Kaynakça

• 1. Gürsoy M., Bor atıklarının aerojel üretiminde değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2019.
• 2. Fricke, J., Tillotson, T., Aerogels: production characterization and applications, Thin Solid Films, 297 (1–2), 212-223, 1997.
• 3. Köken, A., Kanık, M., Aerojellerle ısı yalıtımı ve tekstil uygulamaları, Tekstil ve Mühendis, 29 (128), 249-260, 2022.
• 4. Saraç, N., Toplan, N., Dünyanın en hafi̇f katı malzemesi̇: Aerojeller, Metal Dünyası Dergisi, 2016.
• 5. Koçer, Ş., Alümina esaslı hammadde ve atıklardan alümina esaslı aerojel tozu üretimi ve karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2019.
• 6. Walker, R. C., Potochniak A. E., Hyer A.P., Ferri J. K., Zirconia aerogels for thermal management: Review of synthesis, processing, and properties information architecture, Advances in Colloid and Interface Science, 295, 2021, 102464.
• 7. Sonu, S., Rai, N., Chauhan, I., Multifunctional aerogels: A comprehensive review on types synthesis and applications of aerogels, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 105 (2), 2023.
• 8. Cantürk Öz D., Öz B., Kaya N., Alümina aerojellerin fiziksel özellikleri üzerine yaşlandırma ve kurutma süresinin etkisi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 20 (1), 198-211, 2018.
• 9. Stöcker, C., Baiker, A., Zirconia aerogels: Effect of acid-to-alkoxide ratio, alcoholic solvent and supercritical drying method on structural properties, Journal of Non-Crystalline Solids, 223, 165–178, 1998.
• 10. Bedilo, A. F., Klabunde, K. J., Synthesis of high surface area zirconia aerogels using high temperature supercritical drying, Nanostructured Materials, 8 (2) 119-135, 1997.
• 11. Tyagi, B., Sidhpuria, K., Shaik, B., Jasra, R. V., Synthesis and characterization of nanocrystalline mesoporous zirconia using supercritical drying, Journal of Nanoscience and Nanotechnology Applications, 6, 1584–1593, 2006.
• 12. Hammouda, L. B., Mejri, I., Younes, M.K., Ghorbel, A., Aerogels Handbook, Part III Materials and Processing: Inorganic -Non-Silicate Aerogels, Chapter 6, ZrO2 Aerogels, Editors Aegerter M.A., 127-140, 2011. ISBN 978-1-4419-7477-8 e-ISBN 978-1-4419-7589-8.
• 13. http://www.kuark.org/2014/06/zirkonya-teknolojisi-ve-uretimi/ Erişim tarihi Haziran 09, 2024.
• 14. https://www.ceramtec-industrial.com/en/materials/zirconium-oxide. Erişim tarihi Haziran 11, 2024.
• 15. Wang, X., Zhang, X., Ma, D., Guo, Z., Zhang, G., Zhu, L., Wang, X., High transmittance and ultra-low thermal conductivity ZrO2 aerogel via zirconium hydroxyacetate precursor, Ceramics International, 50 (3), 4423-4432, 2024.
• 16. Garg, S., Singh, S., Shehata, N., Sharma, H., Samuel, J., Khan, N. A., Show, P. L., Aerogels in wastewater treatment: A review, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 105299. 2023.
• 17. Arkan, T. and Gökmeşe, H. Atık döküm kum geri kazanımı ile silika aerojel sentezi ve karakterizasyonu, GJES, 8 (3) 439-446, 2022.
• 18. Karamahmut Mermer N., Pişkin S., Synthesis of aerogel usage of sand by ultrasonically assisted sol-gel method, characterization and thermal insulation plaster application, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (3), 1253-1264, 2019.
• 19. Musyarofah, M., Lestari, N. D., Nurlaila, R., Muwwaqor, N.F., Triwikantoro, Pratapa, S., Synthesis of high-purity zircon zirconia and silica nanopowders from local zircon sand, Ceramics International, 45 (6), 6639-6647, 2019. Elsevier BV.
• 20. Samin, S., Astuti, W., Poernomo, H., Daulay, A., Rozana, K. Synthesis of environmentally friendly oxide zirconium from zircon sand. Journal of Sustainable Metallurgy, 10, 903–913, 2024. Springer Science and Business Media LLC.
• 21. Bokov, D., TurkiJalil, A., Chupradit, S., Suksatan, W., JavedAnsari, M., H.Shewael, I., Kianfar, E. Nanomaterial by Sol-Gel Method: Synthesis and Application. Advances in Materials Science and Engineering, 2021. Hindawi Limited.
• 22. Yeliz Y., Farklı başlangıç maddeleri kullanılarak sol-jel yöntemiyle monolitik silika aerojel ve silika aerojel sentezi ve karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2019.
• 23. Nayak, J. P., Bera J., Preparation of silica aerogel by ambient pressure drying process using rice husk ash as raw material. Transactions of the Indian Ceramic Society. 68 (2), 91-94. 2009.
• 24. Shewale M.P., Rao A.V., Rao P.A., Effect of different trimethyl silylating agents on the hydrophobic and physical properties of silica aerogels. Applied Surface Science 254, 6902–6907, 2008.
• 25. Mrowiec-Białoń, J., Pająk, L., Jarzębski, A.B., Lachowski, A.I., Malinowski, J.J., Preparation effects on zirconia aerogel morphology, Journal of Non-Crystalline Solids, 225, 115-119, 1998.
• 26. Bedilo A. F., Klabunde, K. J., Synthesis of catalytically active sulfated zirconia aerogels, Journal of Catalysis, 176 (2) 448-458, 1998.
• 27. Saraç, N., Silika esaslı doğal hammadde ve atıklardan aerojel tozu üretimi ve karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2018.
• 28. Koçer, Ş.Ş., Alümina esaslı hammadde ve atıklardan alümina esaslı aerojel tozu üretimi ve karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2019.
• 29. Kılınç, Ö., et al. Doğal hammadde ve atıklardan alümina-silika esaslı aerojel üretimi: Alumina-silica based aerogel production from natural raw materials and wastes, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2024.
• 30. Bangi, U.K.H., Park, C.-S., Baek, S., Park, H.H., Sol-gel synthesis of high surface area nanostructured zirconia powder by surface chemical modification, Powder Technology, 239, 314–318, 2013.
• 31. Nie, L., Li, S., Cao, M., Han, N., Chen, Y., A brief review of preparation and applications of monolithic aerogels in atmospheric environmental purification. Journal of Environmental Sciences, 149, 209-220, 2025,
• 32. Esquivel-Castro, A. T., Martínez-Luévanos, A., RobledoCabrera, A., García-Cerda, A., et al., ZrO2 aerogels as drugs delivery platforms: Synthesis cytotoxicity and diclofenac delivery, Journal of Drug Delivery Science and Technology, 77, 1038372022, 2022.
• 33. Torres-Rodríguez, J., Kalmar, J., Menelaou, M., Celko, L., Dvorak. K., Cihlar, J., et al. Heat treatment induced phase transformations in zirconia and yttria-stabilized zirconia monolithic aerogels, The Journal of Supercritical Fluids, 149, 54-63, 2019.
• 34. Southon, P.D., Bartlett, J.R., Woolfrey, J.L., Ben-Nissan. B., Formation and characterization of an aqueous zirconium hydroxide colloid, Chem Mater, 14, 4313-9, 2002.
• 35. Kumar, M.R., Revonda, V., Preparation of zirconia aerogel nanostructures by supercritical drying autoclave method, Iraqı Journal of Applied Physics, 17 (3) 23-28, 2021.
• 36. Stöcker, C., Schneider, M., Baiker, A., Zirconia aerogels: Effect of acid used in the sol-gel process on morphological properties,. Journal of Porous Materials, 4, 325-330, 1996.
• 37. Han, Y., Wu, Y., Huang, S., Wang, Y., Guan, X., Liang, Z., Ye, X. Rapid ambient pressure drying preparation of bulk ZrO2-SiO2 aerogels with high thermal stability, Ceramics International. 2024. Elsevier BV.
• 38. Chu, H., Xu, M., Liu, B., Pan, Z., Pan ,H., Zhao, S., Li, D., Fabrication of amorphous nanoporous ZrO2/SiO2 aerogel enabling nonlinear optical properties, Journal of Materiomics, 10 (5) 1109-1116, 2024.