Investigation of polymorphic phase transformation of calcium carbonate in the presence of different additives - Şendur, Tuba Nur Özalp (My University, 2021)
KALSİYUM KARBONATIN POLİMORFİK FAZ DÖNÜŞÜMÜNÜN ÇEŞİTLİ KATKILAR VARLIĞINDA İNCELENMESİKalsiyum karbonat (CaCO3) kristalleri, katkı maddesi olarak seçilen triptofan, glutamik asit ve treonin varlığında 30 °C sıcaklık ve pH 8.5’da üretilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında (i) triptofan, glutamik asit ve treonin katkı maddelerinin CaCO3’ın polimorfik faz dönüşümü üzerindeki etkilerini belirlemek, (ii) Coats-Redfern modeli kullanarak kinetik ve termodinamik açısından saf CaCO3'ın termal bozunma özelliklerini araştırmak ve (iii) yanıt yüzey yöntemi ile deneysel koşulların CaCO3 kristallerinin vaterit polimorfu üzerindeki etkisini incelemek amaçlanmıştır. İlk olarak, CaCO3 kristalleri üretilmiş ve bu kristallerin XRD, FTIR, SEM, BET, AFM ve zeta potansiyel analizleri yapılmıştır. Elde edilen bu sonuçlara göre, CaCO3 kristallerinin şekilleri pürüzsüz kübik kalsit kristallerinden artan triptofan, glutamik asit ve treonin konsantrasyonları ile gözenekli düzensiz küresel formlu vaterit kristallerine dönüşmüştür. XRD ve FTIR analiz sonuçları, kullanılan her üç katkı maddesi için t=30 dak. ve 50 ppm konsantrasyonunda hem kalsit hem de vaterit polimorfunun birlikte oluştuğunu göstermiştir. Katkı maddelerinin konsantrasyonunun artırılmasıyla sadece vaterit formunda CaCO3 kristalleri elde edilmiştir. Zeta potansiyeli analiz sonuçları, yüksek glutamik asit konsantrasyonunun kristallerin yüzey yüklerinin pozitif, düşük konsantrasyonlarda ise negatif elektrik yüküne sahip kristaller olduğunu göstermiştir. Filtrasyon analiz sonuçlarına göre kullanılan tüm katkı maddelerinin saf ortama kıyasla daha az spesifik bir kek direnci değerine sahiptir. Kinetik analiz sonuçları, CaCO3’ın termal bozunma sürecinin R3 mekanizması ile uyumlu olduğunu göstermiştir. Kristallerin termal bozunması sırasında ortalama aktivasyon enerji değeri 224.6 kJ/ mol olarak hesaplanmıştır. Deney tasarım sonuçlarına göre, triptofan konsantrasyonun üretilen kristallerdeki vaterit polimorf miktarını etkileyen değişkendir. Sonuç olarak, bu çalışma farklı katkı maddeleri varlığında CaCO3 kristallerinin polimorfunu, boyutunu ve morfolojisini daha iyi anlamak ve kontrol etmek için önemli sonuçlar içermektedir.

INVESTIGATION OF POLYMORPHIC PHASE TRANSFORMATION OF CALCIUM CARBONATE IN THE PRESENCE OF DIFFERENT ADDITIVESThe calcium carbonate (CaCO3) crystals were successfully synthesized in the presence of tryptophan, glutamic acid, and threonine used as the additives at 30 °C and at a pH of 8.5. The objectives of this study were to: (i) determine the effects of tryptophan, glutamic acid, and threonine on the polymorphic phase transformation of CaCO3, (ii) investigate the thermal degradation characteristics of CaCO3 in terms of kinetics and thermodynamics using the Coats–Redfern method, and (iii) assess the influence of the experimental conditions on the vaterite composition of CaCO3 using response surface methodology based on central composite design. First, the CaCO3 crystals were prepared and analyzed using XRD, FTIR, SEM, BET, AFM, and zeta potential analysis. Based on the characterization results, the shape of the CaCO3 crystals changed from smooth cubic calcite crystals to porous irregular spherical-like vaterite crystals with increasing tryptophan, glutamic acid, and threonine concentrations. XRD and FTIR results showed that that both calcite and vaterite in forms of apparently CaCO3 crystals were obtained in the presence of 50 ppm all additive concentration at t=30 min. When increasing all additive concentrations in the suspension, the formed CaCO3 were only in the vaterite form. Zeta potential analysis indicated that higher additive concentration resulted in a positive surface charge of the crystals, whereas lower concentration gave negative electrical charge for glutamic acid media. Filtration analysis pointed out that adding all additives resulted in a less specific cake resistance value than that in pure media. Meanwhile, the kinetic results illustrated that the thermal degradation of CaCO3 followed the shrinkage geometrical spherical mechanism, R3 and the average activation energy was 224.6 kJ/ mol. According to the results of the experimental design, the tryptophan concentration was the most influential variable affecting the relative fraction of vaterite in the produced crystals. It can be concluded that tryptophan, glutamic acid, and threonine are important for better understanding and controlling the polymorph, size, and morphology of CaCO3 crystals.
Keywords: additive; Calcium carbonate; central composite design; Chemical engineering; crystal morphology; Kalsiyum karbonat; katkı maddesi; Kimya mühendisliği; kinetics; kinetik; kristal morfolojisi; merkez esaslı kompozit dizayn; polimorfizm; polymorphism; termodinamik; thermodynamics