Gözenekli karbon metaloksit kompozit malzemelerin karbondioksit ve metan adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Investigation of carbondioxide and methane adsorption properties of porous carbon metaloxide composite materials
Yazar: BURAK ZAFER BÜYÜKBEKAR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Aktif karbonlar düşük maliyetli atık biyo malzemelerden elde edilebilen adsorpsiyon kapasiteleri yüksek ve tekrar kullanılabilir malzemelerdir. Bu çalışmada, filtre kahve ve polimer nanoiplik malzemeler kullanılarak aktif karbon formuna geçiş sağlanmış ve bu malzemelerin karbondioksit (CO2) ve metan gazı (CH4) adsorpsiyon kapasiteleri incelenmiştir. Filtre kahve numuneleri için aktif karbon formuna geçişte ZnCl2 ile kimyasal aktivasyon yapılarak 600°C, 700°C ve 800 °C gibi üç farklı sıcaklıkta kalsinasyon denenmiştir. En fazla adsorpsiyon miktarı 800 °C' de kalsine edilen numunelerde ölçülmüştür. Yapılan ölçümler neticesinde bu malzemenin, nispeten yüksek bir yüzey alanına 582,92 m2g-1 ve CO2 ve CH4 için 25 °C' de sırasıyla 2,6 mmol g-1 ve 1,1 mmol g-1 değerinde yüksek adsorpsiyon kapasitelerine sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, metal iyonlarının adsorpsiyon kapasitesi üzerindeki etkisini incelemek amacıyla, üretilen aktif karbonlara Fe+3 metal iyonlarının yüklenmesiyle karbondioksit ve metan adsorpsiyonu analizi yapılarak karşılaştırılmıştır. Yapılan ölçümlerde beklendiği gibi demir iyonu bulunan malzemelerin bulunmayanlara oranla yüzey alanı ve adsorpsiyon miktarı olarak daha verimli olduğu görülmüştür. 800 °C' de karbonize edilmiş Fe+3 yüklü aktif karbonun adsorpsiyon kapasitesi, CO2 için 3,1 mmol g-1 ve 25 °C' de CH4 için 1,2 mmol g-1 olduğu görülmüştür.
Nanoiplik numuneleri için, poliakrilonitril (PAN) polimeri kullanılmıştır. Bu polimer elektro-eğirme metoduyla nanoiplik formuna dönüştürülmüştür. Bu çalışmada metal oksit içeren ve içermeyen numunelerin adsorpsiyon kapasiteleri karşılaştırılmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda demir oksit nanoparçacık içeren (ACNF/Fe2O3) numunesinde yüzey alanı 212,2 m2g-1 kobalt (III) oksit nanoparçacık içeren (ACNF/Co3O4) numunesinin yüzey alanı 185,1 m2g-1 olarak ölçülmüştür. CO2 ve CH4 adsorpsiyon kapasiteleri ise 25 °C' de ACNF/Fe2O3 için sırasıyla 1,17 mmol g-1 ve 0,33 mmol g-1 ACNF/Co3O4 için sırasıyla 1,614 mmol g-1 ve 0,437 mmol g-1 dir. Demir oksit nanoparçacık içermeyen (ACNF) numunesindeki yüzey alanı 270,2 m2g-1 olarak ölçülmüştür. Ayrıca 25 °C'de sırasıyla 2,17 mmol g-1 ve 0,83 mmol g-1 CO2 ve CH4 adsorpsiyon kapasiteleri göstermiştir.
 Üretilen her bir malzeme UV-Vis, XRD, TGA, FTIR, SEM, EDX ve BET analizleri ile karakterize edilmiş olup optik, morfolojik ve yapısal özellikleri incelenmiştir.
Ayrıca isosterik ısı hesaplamaları yapılarak adsorpsiyon türü ve kararlılık testleri yapılmıştır. Yapılan ölçümlerde isosterik ısı değerleri 0-35 °C sıcaklık aralığında CO2 ve CH4 için sırasıyla 20-35 kJ mol-1 ve 18-23 kJ mol-1 aralığında hesaplanmıştır. Sonuç olarak, biyo-tabanlı aktif karbonlar farklı gaz moleküllerini yakalamak için etkili ve alternatif bir adsorban olarak kullanılabilir.

Abstract:
Activated carbons are materials that can be obtained from low-cost waste biomaterials, with high adsorption capacities and reusable materials. In this study, the transition to activated carbon form has been achieved by using filter coffee and polymer nanofibre materials, and the carbon dioxide and methane gas adsorption capacities of these materials have been investigated. In the transition to the activated carbon form for filter coffee samples, chemical activation with ZnCl2 was performed by calcining at three different temperatures such as 600 °C, 700 °C and 800 °C. The maximum amount of adsorption was measured in samples calcined at 800 °C. As a result of the measurements, it has been observed that this material has high adsorption capacities of 2.6 mmol g-1 and 1.1 mmol g-1, respectively at 25 °C for CO2 and CH4 at a relatively high surface area of 582.92 m2 g-1. Moreover, in order to examine the effect of metal ions on adsorption capacity, carbon dioxide and methane adsorption analysis was performed by loading Fe+3 metal ions to the activated carbon. As expected, the materials with iron ions were found to be more efficient in terms of surface area and amount of adsorption than those without. The adsorption capacity of Fe+3 loaded activated carbon, which is calcined at 800 °C, was found to be 3.1 mmol g-1 for CO2 and 1.2 mmol g-1 for CH4 at 25 °C. 
Polyacrylonitrile (PAN) polymer was used for nanofiber samples. This polymer has been converted to nanofiber form by the electrospinning method. In this study, adsorption capacities of samples with and without iron oxide were compared. As a result of the measurements, the surface area of the sample (Fe-ACNF) including iron oxide nanoparticle was measured as 212.2 m2 g-1. CO2 and CH4 adsorption capacities are 1.17 mmol g-1 and 0.33 mmol g-1 at 25 °C, respectively. The surface area of the iron oxide nanoparticle-free (ACNF) sample was measured as 270.2 m2 g-1. It also showed adsorption capacities of 2.17 mmol g-1 and 0.83 mmol g-1 CO2 and CH4, at 25 °C, respectively.
Each material was characterized by UV-Vis, XRD, TGA, FTIR, SEM, EDX and BET analysis and its optical, morphological and structural properties were examined. In addition, adsorption type and stability tests were performed by making isosteric heat calculations. In the measurements made, isosteric heat values were calculated between 20-35 kJ mol-1 and 18-23 kJ mol-1 for CO2 and CH4 in the 0-35 °C temperature range, respectively. When stability tests were performed, a 2% reduction in the amount of adsorption was observed after 6 cycles. As a result, bio-based activated carbons can be used as an effective and alternative adsorbent to capture different gas molecules.