Karbon aerojellerin sentezi ve ağır metallerin adsorpsiyonunda kullanılması
Synthesis of carbon aerogels and use in adsorption of heavy metals
Yazar: ELİF GÜRLER
Danışman: DOÇ. DR. FATMA TÜMSEK
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aerojel = Aerogel ; Ağır metal iyonları = Heavy metal ions

Özet:
Bilindiği üzere atık sularda ağır metallerin varlığı ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Bu atıkların bertaraf yöntemlerinden biri de adsorpsiyondur. Yüksek gözenekli yapıları ve yüzey alanları, düşük yoğunluğa sahip olmaları nedeniyle karbon aerojellerin ağır metallerin gideriminde adsorban olarak kullanılmaları popüler araştırma konularından olmuştur. Karbon aerojellerin üretim yöntemi, gözenek boyutu dağılımlarında farklı morfolojiler/şekiller elde edilmesini etkilemektedir. Bu çalışmada, ağır metal içeren atıksuların adsorpsiyonla arıtımı için karbon aerojel adsorbanlar sentezlenmiş ve adsorpsiyon özellikleri belirlenmiştir. Karbon aerojeller iki ayrı katalizör (Mg(OH)2 ve Na2CO3) kullanılarak ve farklı katalizör oranlarında, resorsinol ve formaldehitin polikondensasyonunu içeren bir sol-jel prosesi ile hazırlanmıştır. Üretilen aerojeller daha basit, az maliyetli, sanayiye uygulanabilir bir kurutma yöntemi olan ortam basıncında kurutma yöntemi ile kurutulmuş ardından elde edilen aerojeller karbonizasyona tabi tutularak karbon aerojeller üretilmiştir. Sentezlenen karbon aerojellerin morfolojik özellikleri SEM, TEM ve XRD analizleri ile kimyasal yapıları ise FTIR, Raman spektroskopisi kullanarak karakterize edilmiştir. Sentezlenen karbon aerojeller kullanılarak Cr(VI) ve Cu(II) iyonlarını içeren çözeltilerden bu ağır metal iyonlarının giderimi çalışılmıştır. Deneyler sonucu bulunan veriler Langmuir ve Freundlich izoterm denklemleri ile analiz edilmiştir. Cr(VI) için Langmuir izotermine göre maksimum adsorpsiyon kapasitesi her iki katalizörle hazırlanmış karbon aerojeller için 154 mg/g civarında yaklaşık eşit bulunmuştur. Cu(II) en yüksek adsorpsiyon kapasiteleri ise Mg(OH)2 katalizörü ile sentezlenmiş karbon aerojel için 112,35 mg/g iken Na2CO3 katalizörü ile sentezlenmiş karbon aerojel için 79,94 mg/g olarak tespit edilmiştir. Kinetik çalışmalara bakıldığında adsorpsiyonun sözde ikinci dereceden kinetik modelle uyumlu olarak gerçekleştiği tespit edilmiştir. Farklı katalizör oranlarının sentezlenen aerojellerin adsorpsiyon kapasitesini çok fazla etkilemediği görülmüş, sonuç olarak sentezlenen bütün aerojellerin Cu(II) adsorpsiyonuna göre Cr(VI) adsorpsiyonu için daha yüksek adsorpsiyon kapasitesi sağladığı belirlenmiştir.

Abstract:
As it is known, the presence of heavy metals in wastewater causes serious environmental problems. One of the disposal methods of these wastes is adsorption. The use of carbon aerogels as an adsorbent in the removal of heavy metals has been a popular research topic due to their highly porous structure and surface area, low density. The production method of carbon aerogels affects the obtaining of different morphologies/shapes in the pore size distributions. In this study, carbon aerogel adsorbents were synthesized for the treatment of heavy metal-containing wastewater by adsorption and their adsorption properties were determined. Carbon aerogels were prepared using a sol-gel process involving polycondensation of resorcinol and formaldehyde at different catalyst ratios with two different catalysts (Mg(OH)2 and Na2CO3). The produced aerogels were dried by the ambient pressure drying method, which is a simpler, less costly, industrially applicable drying method, and then carbon aerogels were produced by subjecting the obtained aerogels to carbonization. The morphological properties of the synthesized carbon aerogels were characterized by SEM, TEM and XRD analyzes and their chemical structures were characterized using FTIR and Raman spectroscopy. The removal of these heavy metal ions from solutions containing Cr(VI) and Cu(II) ions was studied using synthesized carbon aerogels. The data obtained as a result of the experiments were analyzed with the Langmuir and Freundlich isotherm equations. The maximum adsorption capacity for Cr(VI) according to the Langmuir isotherm was approximately equal to around 154 mg/g for carbon aerogels prepared with both catalysts. While the highest adsorption capacities of Cu(II) were 112.35 mg/g for carbon aerogel synthesized with Mg(OH)2 catalyst, it was determined as 79.94 mg/g for carbon aerogel synthesized with Na2CO3 catalyst. Considering the kinetic studies, it was determined that the adsorption took place in accordance with the pseudo- second-order kinetic model. It was observed that different catalyst ratios did not affect the adsorption capacity of the synthesized aerogels much, as a result, it was determined that all the synthesized aerogels provided higher adsorption capacity for Cr(VI) adsorption than Cu(II) adsorption.