Uçucu kül esaslı aerojel hazırlanması ve organik moleküllerin adsorpsiyonu uygulamalarının araştırılması
Preparation of fly ash-based aerogel and investigating their adsorption capacity of organic molecules
Yazar: ESRA BEDİR
Danışman: DOÇ. DR. HATİCE DURAN DURMUŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Termal enerji santrallerinde yan ürün olarak her yıl milyonlarca ton uçucu kül açığa çıkmaktadır. Bu uçucu küller havaya ve sulara karışarak içerdiği zararlı bileşenlerden dolayı başta canlılar olmak üzere tüm ekosistemi tehdit etmektedir. Fakat içerdiği zararlı bileşenlerin yanında yüksek oranda silika barındırmaktadır. Bu özelliğinden yararlanılarak uçucu kül geri dönüştürülüp hem içindeki silika bileşeni özütlenip kullanılabilir hale getirilirken hem de karbon ayak izi önemli ölçüde azaltılmış olmaktadır. Bu özütlenen silika bileşeni aerojel üretiminde kullanılan pahalı öncüllerin yerine geçmektedir. Silika aerojel malzeme başta  olağanüstü yüksek yüzey alanı olmak üzere düşük yoğunluk, düşük termal iletkenlik vb. özellikleri sayesinde uzay araştırmalarında, mikro-elektronikte, akustikte, lazer deneylerinde, optikte, tıpta ve su arıtma uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında ise aerojel malzemenin adsorpsiyon özelliğinden yararlanılarak atık sulardaki tekstil boyar maddelerin uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Metil oranj (MO) ve ksilen oranj (XO) gibi anyonik boyalar tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmakta olup içme sularına karışmasıyla birlikte (toksik, kanserojen ve alerjenik) insan hayatını tehdit eden kimyasallardır. Tüm bu sebeplerden dolayı bu çalışmada suya karışan MO ve XO boyalarını sudan %90'ın üzerinde verimle kısa sürede (30 dakikadan az) uzaklaştırmak amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda ucuz bir kaynak olan uçucu külden silika bileşeni özütlenerek aerojel malzeme için öncül oluşturulmuştur. Oluşturulan bu öncülden ortam basıncı kurutma yöntemiyle 810 m2 g-1 yüzey alanına sahip aerojel başarılı bir şekilde üretilmiştir. Aerojel malzemeye silanlama (tri amino propil tri etoksi silan, APTES) yöntemi ile protonlanabilir amin gruplarının kaplaması yapılarak MO ve XO gibi anyonik boyaların aerojel adsorbana elektrostatik etkileşimle tutunabilirliği artırılmıştır. Yapılan deneylerde çok düşük miktarda kullanılan APTES kaplı aerojel adsorbanın hem MO hem de XO boyasını sudan %100 uzaklaştırdığı saptanmıştır. Tüm bunlara ek olarak adsorbanın tekrar kullanılabilirliğini ölçmek için 10 döngü adsorpsiyon-desorpsiyon deneyi yapılarak test edilmiştir. 10. döngüde MO boyanın %83'ü sudan uzaklaştırılırken XO boyanın %88'i uzaklaştırılmıştır. Bu çalışmanın bir diğer avantajı ise boya tutma işleminin 5 dakikadan kısa bir sürede gerçekleşmiş olmasıdır.

Abstract:
Millions of tons of fly ash are released every year as a by-product in thermal power plants. These fly ashes spread out with the air and water and threaten the entire ecosystem, especially living things, due to the harmful components it contains. However, it contains high levels of silica as well as harmful components. By making use of this feature, the fly ash is recycled, and the silica component is extracted and made usable, while the carbon footprint is significantly reduced. This extracted silica component replaces expensive precursors used in aerogel production. Silica aerogel material has an exceptionally high surface area, low density, low thermal conductivity, etc. Thanks to its properties, it is used in space exploration, microelectronic sonics, acoustics, laser experiments, optics, medicine and water treatment applications. In this thesis, it is aimed to remove textile dyes in wastewater by utilizing the adsorption property of aerogel material. Anionic dyes such as methyl orange (MO) and xylene orange (XO) are widely used in the textile industry and are chemicals that threaten human life (toxic, carcinogenic and allergenic) when mixed with drinking water. For all these reasons, in this study, it is aimed to remove MO and XO dyes mixed with water from water in a short time (less than 30 minutes) with an efficiency of more than 90%. For this purpose, a precursor for the aerogel material was formed by extracting the silica component from fly ash, which is an inexpensive source. From this precursor, an aerogel with a surface area of 810 m2 g-1 was successfully produced by the ambient pressure drying method. By coating the protonable amine groups on the aerogel material with the silanation (tri amino propyl tri ethoxy silane, APTES) method, the adhesion of anionic dyes such as MO and XO to the aerogel adsorbent by electrostatic interaction was increased. In the experiments, it was determined that APTES coated aerogel adsorbent, which was used in very low amounts, removed both MO and XO dyes from water 100%. In addition to all these, to measure the reusability of the adsorbent, 10 cycles of the adsorption-desorption experiment were performed and tested. In the 10th cycle, 83% of the MO dye was removed from the water, while 88% of the XO dye was removed.  Another advantage of this study is that the dye removal process took less than 5 minutes.