Endosülfanın gümüş katkılı manyetik fotokatalizör ile gideriminin incelenmesi ve Taguchi deney tasarım metoduyla optimizasyonu
The investigation of endosulfan removal using silver doped magnetic photocatalyst and optimization by Taguchi experimental desing method
Yazar: MEHMET TÜRKYILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEZEN KÜÇÜKÇONGAR
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında sentezlenen Ag/TiO2/Fe3O4 katalizörünün fotokataliz prosesi ile görünür LED, UV–C ve UV–A LED ışık kaynakları altında model kalıcı organik kirletici olarak seçilen endosülfanın giderimi ve metabolit oluşumundaki etkinliği, ortam şartlarının etkisi ve optimizasyonu, katalizörlerin yeniden kullanılabilirliği incelenmiştir. Hazırlanan katalizörün yapısal özelliklerinin incelenmesinde XRD, SEM-EDX, TEM-EDS analizleri yapılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında endosülfan izomer ve metabolitlerinin su ortamında birlikte analizinde, hızlı, kullanışlı, uygun maliyetli ve çevre dostu bir ekstraksiyon işlemi olarak tayininde VALLME prosedürü kullanılmıştır. HPLC analizleri sonrasında α‐endosülfan, β‐endosülfan, endosülfan sülfat, endosülfan eter ve endosülfan lakton için en iyi geri kazanım oranları sırasıyla; %99.06, 103.06, 91.1, 96.79 ve 115.31 olarak n-hekzan için 200 µL çözücü hacmi, 10 mL numune hacmi ve 3 dk vorteks süresi şartlarında elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında endosülfan giderimi ve metabolitlerine bozunumu için fotokataliz prosesinin Taguchi metodu ile deneysel tasarımı ve varyans analizi (ANOVA) ile optimizasyonu yapılmıştır. Deneysel tasarım başlangıç şartlarına göre hazırlanmış numuneler, önce karanlık ortamda, sonrasında UV–A LED, UV-C ve görünür LED ışık kaynakları altında fotokataliz deneyleri uygulanmıştır. Işık yoğunluğu, katalizör miktarı, başlangıç endosülfan konsantrasyonu, pH ve zaman parametrelerinin giderim verimine etkilerini belirlemek için, Minitab 19 programı kullanılarak Taguchi optimizasyonu ve varyans analizleri yapılmıştır. Görünür LED ışık ve UV–C ışık için en yüksek S/N oranının elde edildiği 27 W ışık gücü, pH 4, 0.5 g/L katalizör miktarı, 60 dk reaksiyon süresi ve 4 mg/L başlangıç endosülfan konsantrasyonunda en yüksek giderim veriminin elde edileceği sonucuna ulaşılmış ve sırasıyla doğrulama deneyleri sonuçları %94.2 ve %93.2 olarak elde edilmiştir. UV–A LED ışık için en yüksek S/N oranı 18 W ışık gücü, pH 4, 0.1 g/L katalizör miktarı, 60 dk reaksiyon süresi ve 4 mg/L başlangıç endosülfan konsantrasyonunda en yüksek giderim veriminin elde edileceği sonucuna ulaşılmış ve %91.9 olarak bulunmuştur. Ayrıca tüm ışık kaynaklarında giderim verimi üzerine parametre etkileri değerlendirildiğinde en etkili parametrelerin sırasıyla; başlangıç endosülfan konsantrasyonu ve pH olduğu bulunmuş, Fkritik değerleri ışık gücü, katalizör miktarı ve reaksiyon süresinin endosülfan giderimi üzerine etkisinin istatiksel olarak önemli olmadığını göstermiştir. Kontrol edilemeyen faktörlerin neden olduğu hata tüm ışık kaynaklarında %50 değerinin oldukça altında kalarak yapılan deneylere ait hataların önemli olmadığını göstermiştir. Varyans analizindeki %P değerleri incelendiğinde endosülfan giderimi için başlangıç endosülfan konsantrasyonu ve pH faktörüne ait seviyeler arasında anlamlı bir fark bulunduğu tüm ışık kaynaklarında görülmektedir. Ayrıca parametrelerin giderime olan katkıları % değer olarak verilmiş olup sırasıyla başlangıç endosülfan konsantrasyonu ve pH tüm ışık kaynaklarında katkısı en yüksek faktörler olmuştur. Endosülfan giderimi için doğrusal modelin normal olasılık grafiğinde artıkların düz çizgiye makul derecede yakın olduğu, hataların normal dağıldığı ve modelde belirtilen terimlerin önemli olduğu tüm ışık kaynaklarında görülmüştür. Tüm ışık kaynakları için endosülfan giderimine ait deneysel sonuçlara göre oluşturulan modellere ait R2 değerleri yüksek oranlarda uygunluk göstermiş, görünür LED ışık modelinden elde edilen R2 değeri UV–C ve UV–A LED modellerinden elde edilen değerlerden daha yüksek olduğundan fotokataliz prosesi ile endosülfan giderimine daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Fotokataliz deneylerinde endosülfan gideriminde etkili olduğu düşünülen faktörlerin optimizasyonu yapılarak giderim verimleri bulunduktan sonra, endosülfan bozunumu sonucunda metabolit oluşumu da takip edilmiştir. Tüm ışık kaynaklarında endosülfan giderilirken yüksek konsantrasyonlarda endosülfan sülfat, endosülfan eter ve endosülfan lakton oluşumları gözlenmemiş aksine oluşumlar konsantrasyon bazında tüm deneylerde %2'nin altında kalarak endosülfan giderimini gerçekleştiğini desteklemiştir. Sentezlenen Ag/TiO2/Fe3O4 katalizörün tekrar kullanımı deneyleri için, ard arda optimum fotokataliz şartlarında saf su ile rejenere edilerek 5 tekrar sonrasında bile %77.23'lük toplam endosülfan giderimi elde edilmiştir. Çalışmanın üçüncü aşamasında ise gerçek su numuneleri olarak Konya içme suyu arıtma tesisi girişinden ham su ve tatlı su şebekesinden musluk suyu temin edilmiştir. Görünür LED ışık altında 27 W ışık gücü, 0.5 g/L katalizör miktarı, 60 dk reaksiyon süresi ve orijinal numune pH'larında fotokataliz deneyleri gerçekleştirilmiş, ham su ve kaynak suyu için elde edilen toplam endosülfan giderimi sırasıyla %86.7 ve %84.8 olarak bulunmuştur.

Abstract:
In this thesis, the efficiency of the synthesised Ag/TiO2/Fe3O4 catalyst in the removal and metabolite formation of endosulfan selected as a model persistent organic pollutant by the photocatalysis process, the effect and optimization of the ambient conditions, the reusability of the catalysts were investigated under visible LED, UV-C and UV-A LED light sources. XRD, SEM-EDX, TEM-EDS analyzes were carried out to examine the structural properties of the prepared catalyst. In the first stage of the study, the VALLME procedure was used in the analysis of endosulfan isomers and metabolites in aquatic environment, as a fast, convenient, cost-effective and environmentally friendly extraction process. After HPLC analysis, the best recovery rates for α‐endosulfan, β‐endosulfan, endosulfan sulfate, endosulfan ether and endosulfan lactone were respectively; 99.06%, 103.06, 91.1, 96.79 and 115.31 were obtained for n-hexane under the conditions of 200 µL solvent volume, 10 mL sample volume and 3 min vortex time. In the second stage of the study, the experimental design of the photocatalysis process with Taguchi method and optimization with analysis of variance (ANOVA) were performed for endosulfan removal and degradation into its metabolites. The samples prepared according to the experimental design initial conditions were applied photocatalysis experiments first in the dark environment and then under UV-A LED, UV-C and visible LED light sources. Taguchi optimization and variance analysis were performed using Minitab 19 program to determine the effects of light intensity, catalyst amount, initial endosulfan concentration, pH and time parameters on removal efficiency. The highest removal efficiency will be achieved at 27 W light power, pH 4, 0.5 g/L catalyst amount, 60 min reaction time and 4 mg/L initial endosulfan concentration, where the highest S/N ratio is obtained for visible LED light and UV-C light, and the results of the verification experiments were obtained as 94.2% and 93.2%, respectively. It was concluded that the highest S/N ratio for UV-A LED light was 18 W light power, pH 4, 0.1 g/L catalyst amount, 60 min reaction time and 4 mg/L initial endosulfan concentration, resulting in the highest removal efficiency, and 91.9% was found as. In addition, when the effects of parameters on removal efficiency of all light sources were evaluated, it was found that the most effective parameters were initial endosulfan concentration and pH, respectively. Fcritical values showed that the effect of light intensity, catalyst amount and reaction time on endosulfan removal was not statistically significant. The error caused by uncontrollable factors remained well below 50% in all light sources, showing that the errors of the experiments are not important. When the P% values in the variance analysis are examined, it is seen in all light sources that there is a significant difference between the levels of the initial endosulfan concentration and pH factor for endosulfan removal. In addition, the contribution of the parameters to the removal was given as % value, respectively, the initial endosulfan concentration and pH were the highest contributors in all light sources. In the normal probability plot of the linear model for endosulfan removal, the residuals are reasonably close to the straight line, the errors are normally distributed, and the terms specified in the model are important in all light sources. The R2 values of the models created according to the experimental results of endosulfan removal for all light sources showed high suitability, and the R2 value obtained from the visible LED light model is higher than the values obtained from UV-C and UV-A LED models, so it is more suitable for endosulfan removal by photocatalysis process. After the removal efficiencies were found by optimizing the factors that are thought to be effective in endosulfan removal in photocatalysis experiments, metabolite formation was also monitored as a result of endosulfan degradation. While endosulfan was removed from all light sources, high concentrations of endosulfan sulfate, endosulfan ether and endosulfan lactone were not observed, on the contrary, the formations remained below 2% in all experiments on the basis of concentration and supported the endosulfan removal. For the reuse experiments of the synthesiesed Ag/TiO2/Fe3O4 catalyst, it was regenerated with pure water under optimum photocatalysis conditions successively and 77.23% total endosulfan removal was obtained even after 5 repetitions. In the third stage of the study, raw water from the inlet of the drinking water treatment plant and tap water from the fresh water network were obtained as real water samples. Photocatalysis experiments were carried out under visible LED light at 27 W light power, 0.5 g/L catalyst amount, 60 min reaction time and original sample pH, and the total endosulfan removal obtained for raw water and spring water was found to be 86.7% and 84.8%, respectively.