Perlit destekli manyetik nanoparçacıklar ile çok bileşenli bir sistemde uçucu organik bileşiklerin dinamik rekabetçi adsorpsiyon davranışının değerlendirilmesi
Evaluation of dynamic competitive adsorption behavior of volatile organic compounds in a multicomponent system by perlite supported magnetic nanoparticles
Yazar: RAHİME AÇİN OK
Danışman: DOÇ. DR. SİNAN KUTLUAY
Siirt Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Manyetik nanopartiküller = Magnetic nanoparticles ; Uçucu organik bileşikler = Volatile organic compound ; İzotermler = Isotherms

Özet:
Uçuculuk, zehirlilik ve yayılma özelliklerine sahip uçucu organik bileşikler (UOB'ler) insan sağlığı ve eko-çevre için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Birçok endüstriyel proses, çok bileşenli sistemler olarak ortaya çıkan UOB kirleticileri üretmektedir. Bu nedenle, UOB'lerin rekabetçi adsorpsiyonunun araştırılması pratik ve bilimsel öneme sahiptir. Bu tezde, UOB'ler olarak hedeflenen buhar fazındaki toluen, etilbenzen ve ksilenin yeni bir manyetik nano-adsorbent olarak geliştirilen perlit-destekli Fe3O4@SiO2@8-Hidroksikinolin-5-sülfonik asit (perlit-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA) ile hem tek hem de çok bileşenli sistemlerde adsorpsiyon davranışı aydınlatılmıştır. Birlikte çökeltme yöntemiyle üretilen Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbenti karakterize etmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ve Brunauer–Emmett–Teller (BET) analiz teknikleri kullanılmıştır. Tek bileşenli sistemde 30 mg/L giriş konsantrasyonunda toluen, etilbenzen ve ksilenin adsorpsiyon kapasiteleri sırasıyla 546, 662 ve 710 mg/g olarak bulunmuştur. İki bileşenli sistemde 30 mg/L toluen + 15 mg/L etilbenzen ve 30 mg/L toluen + 15 mg/L ksilen giriş konsantrasyonlarında toluenin adsorpsiyon kapasitesi sırasıyla %42 ve %50 azalmıştır. Benzer şekilde, iki bileşenli sistemde 30 mg/L etilbenzen + 15 mg/L toluen ve 30 mg/L etilbenzen + 15 mg/L ksilen giriş konsantrasyonlarında etilbenzenin adsorpsiyon kapasitesi sırasıyla %27 ve %46 azalmıştır. Ayrıca, iki bileşenli sistemde 30 mg/L ksilen + 15 mg/L toluen ve 30 mg/L ksilen + 15 mg/L etilbenzen giriş konsantrasyonlarında ksilenin adsorpsiyon kapasitesi sırasıyla %16 ve %22 azalmıştır. Üç bileşenli sistemde rekabetçi adsorpsiyon kapasiteleri tek bileşenli sisteme göre daha düşük bulunmuştur. Toluen, etilbenzen ve ksilenin perlit-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbenti üzerine adsorpsiyon prosesinde kinetik davranışı değerlendirmek için reaksiyon temelli (psödo-birinci-derece ve psödo-ikinci-derece) ve difüzyon temelli (partikül içi difüzyon, Boyd film difüzyon ve kütle transfer) kinetik modeller kullanılmıştır. Perlit-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbenti, toluen, etilbenzen ve ksilen için sırasıyla %88,91, %88,07 ve %87,16 yeniden kullanım verimliliği sergilemiştir. Bunun yanı sıra, perlit-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbentin, literatürde bildirilen diğer adsorbentlere kıyasla önemli bir potansiyele sahip olduğu belirlenmiştir. Bu değerlendirmeler ışığında, yüksek adsorpsiyon kapasitesi ve yeniden kullanım verimliliği sergileyen perlit-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA, UOB kirleticilerin verimli bir şekilde giderimi için umut verici bir nano-adsorbent olarak önerilmektedir. Ayrıca, bu tez kapsamında elde edilen bulgular, belirli bir adsorbent ile ilişkili olarak buhar fazındaki farklı UOB kirleticiler arasındaki karşılaştırmalı ve rekabetçi adsorpsiyon davranışının daha iyi anlaşılması için önemli bir kanıt niteliğindedir.

Abstract:
Volatile organic compounds (VOCs) with volatility, toxicity and dispersal properties pose a serious threat to human health and the eco-environment. Many industrial processes produce VOC pollutants, which occur as multicomponent systems. Therefore, the investigation of competitive adsorption of VOCs is of practical and scientific importance. In this thesis, the adsorption behavior of toluene, ethylbenzene and xylene in the vapor phase targeted as VOCs by perlite-supported Fe3O4@SiO2@8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid (perlite-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA) developed as a new magnetic nano-adsorbent in both single and multicomponent systems was elucidated. To characterize the perlite-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbent produced by the coprecipitation method, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and Brunauer–Emmett–Teller (BET) analysis techniques were used. The adsorption capacities of toluene, ethylbenzene and xylene were found to be 546, 662 and 710 mg/g, respectively, at an inlet concentration of 30 mg/L in the single-component system. In the two-component system, the adsorption capacity of toluene was decreased by 42% and 50% at inlet concentrations of 30 mg/L toluene + 15 mg/L ethylbenzene and 30 mg/L toluene + 15 mg/L xylene, respectively. Similarly, the adsorption capacity of ethylbenzene decreased by 27% and 46% at inlet concentrations of 30 mg/L ethylbenzene + 15 mg/L toluene and 30 mg/L ethylbenzene + 15 mg/L xylene, respectively, in the two-component system. In addition, the adsorption capacity of xylene decreased by 16% and 22% at inlet concentrations of 30 mg/L xylene + 15 mg/L toluene and 30 mg/L xylene + 15 mg/L ethylbenzene, respectively, in the two-component system. In the three-component system, the competitive adsorption capacities were found to be lower than in the single-component system. Reaction-based (pseudo-first-order and pseudo-second-order) and diffusion-based (intraparticle diffusion, Boyd film diffusion and mass transfer) kinetic models were used to evaluate the kinetic behavior in the adsorption process of toluene, ethylbenzene and xylene onto the perlite-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbent. The perlite-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbent exhibited reuse efficiencies of 88.91%, 88.07% and 87.16% for toluene, ethylbenzene and xylene, respectively. In addition, it was determined that the perlite-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA nano-adsorbent has a significant potential compared to other adsorbents reported in the literature. In light of these evaluations, perlite-Fe3O4@SiO2@8-HQ-5-SA, which exhibits high adsorption capacity and reuse efficiency, is suggested as a promising nano-adsorbent for the efficient removal of VOC pollutants. In addition, the findings obtained within the scope of this thesis are important evidence for a better understanding of the comparative and competitive adsorption behavior between different VOC pollutants in the vapor phase in relation to a particular adsorbent.