Metal içerikli katalizörler ile atık su arıtımı
Waste water treatment with metal incorporated catalysts
Yazar: MUAYYED AMMAR
Danışman: DOÇ. DR. YEŞİM GÜÇBİLMEZ
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Atık su arıtma = Waste water treatment

Özet:
Bu çalışma kapsamında, laboratuar ortamında sentetik olarak üretilen atık sulardan fenol giderimi çalışılmıştır. Bu amaçla, Direkt Hidrotermal Sentez Metodu ile kalsine edilmemiş MCM-41 (UK-MCM-41), kalsine edilmiş MCM-41 (K-MCM-41) ve 0,20, 0,25 ve 0,30 Mn/Si molar oranlarında manganez metali eklenmiş MCM-41 katalizörleri (20-Mn-MCM-41, 25-Mn-MCM-41 ve 30-MCM-41) üretilmiştir.
Su arıtım deneylerinden önce, hazırlanan katalizörlerin karakterizasyonları XRD, BET, Parçacık Boyutu Analizi, SEM ve EDS metotları ile yapılmıştır. XRD sonuçları, UK-MCM-41 ve K-MCM-41 katalizörlerinin istenilen MCM-41 kristal yapısında olduğunu, manganez metali eklemenin ise MCM-41 kristal yapısını bozduğunu ve yapıya ait birincil ve ikincil piklerin elde edilemediğini göstermiştir. Benzer şekilde, BET sonuçları, metal eklemenin yüzey alanını önemli ölçüde düşürdüğünü göstermiştir.  Parçacık boyut analizi sonuçları ise metal eklenmemiş katalizörler için kullanılan reçetenin daha fazla aglomerleşmeye sebep olduğunu ve bu dolayısıyla bu katalizörler için parçacık boyutlarının daha yüksek olduğunu göstermiştir. SEM sonuçları incelendiğinde, Mn-MCM-41 türü katalizörler için MCM-41 türü katalizörlere oranla daha az aglomerleşme olduğu ve parçacık şekil ve büyüklüklerinin daha homojen dağıldığı görülmüştür. EDS sonuçları, yapıya, sentez reçetesinde teorik miktarda hesaplanan Mn/Si molar oranlarında metal eklenemediğini ve 20-Mn-MCM-41, 25-Mn-MCM-41 ve 30-Mn-MCM-41 katalizörleri için EDS analizi ile katalizör yüzeyinde ölçülen gerçek Mn/Si molar oranlarının sırasıyla 0,062; 0,060 ve 0,071 olduğunu göstermiştir.
Tüm katalizörlerin katalitik aktiviteleri laboratuar ortamında hazırlanan  ve ilk (doğal) pH değeri 6 olan sentetik atık sulardan fenol gideriminde test edilmiştir. Fenol giderim deneyleri 25, 40 ve 60oC'de, 500 rpm'de, 0,15'er gram katalizör ve dört kesikli reaktör kullanılarak, 4,5 saat süresince dört paralel eş set ile gerçekleştirilmiştir. Dört paralel eş set seçilmesi, eşit zaman aralıklarında reaktörlerden analiz için alınan örneklerin neden olduğu hacim kaybının toplam çözelti hacmine etkisinin %5'ten az olmasını (ihmal edilebilir olmasını) sağlamıştır. Her 30 dakikada bir çözeltilerden örnek alınarak önceden kalibre edilmiş UV Görünür Spektrofotometresi ile fenol derişimi tayin edilmiştir. 
Deney sonuçlarına göre, fenol giderimi tüm katalizörler için sıcaklıkla artmıştır.  Çalışılan tüm sıcaklıklarda K-MCM-41 katalizörü UK-MCM-41 katalizöründen daha iyi performans göstermiştir; bunun nedeninin K-MCM-41 katalizörünün yüksek BET yüzey alanı (1187 m2/g) olduğu düşünülmektedir.
Yapıya metal eklenmesi, çalışılan tüm sıcaklıklarda, fenol giderimini artırmıştır. Örnek olarak, 25oC'de, maksimum fenol giderimi, yapıya metal eklenmeden önce,              K-MCM-41 katalizörü ile %40,6 iken;  metal eklendikten sonra, 30-Mn-MCM-41 katalizörü ile %45,8 olarak ölçülmüştür. Benzer şekilde, 40oC'de, maksimum giderim, K-MCM-41 katalizörü ile %41 iken, metal eklendikten sonra, 25-Mn-MCM-41 katalizörü ile %53,8 olmuştur. Son olarak, 60oC'de, K-MCM-41 katalizörü ile %41,6 giderim sağlanmışken, metal eklendikten sonra, 25-Mn-MCM-41 katalizörü ile %56 giderim sağlanmıştır. 
Çalışılan sıcaklıklardan 25oC'de 25-Mn-MCM-41 ve 30-Mn-MCM-41 katalizörleri sırası ile %45,2 ve %45,8 olarak oldukça yakın giderim değerleri sağlamıştır. Diğer iki sıcaklıkta ise en yüksek verimin 25-Mn-MCM-41 katalizörü ile elde edildiği görülmektedir. Bu sonuçlar, incelendiğinde, optimum metal yükleme oranının katalzör yüzeyinde 0,060 (teorik 0,25 Mn/Si molar oranına tekabül eden EDS ile elde edilmiş gerçek Mn/Si Molar oranı) ve optimum deney şartlarının 60oC, atmosferik basınç ve 500 rpm olduğu görülmektedir. Optimum metal yüklemesi ve optimum deney şartlarında %56 fenol giderimi elde edilmiştir.
Sonuç olarak, Mn-MCM-41 türü katalizörler ile düşük miktarda metal kullanarak (Mn/Si molar oranı 0,060) ılımlı tepkime koşullarında (60oC ve atmosferik basınç), kesikli reaktörde, H2O2 içerikli Katalitik Islak Oksidasyon Yöntemi ile, %56 fenol dönüşümü elde etmenin mümkün olduğu görülmüştür.

Abstract:
In the concept of this study, phenol removal from synthetical waste waters produced in laboratory medium was studied. For this purpose, uncalcined MCM-41 (UK-MCM-41), calcined MCM-41 (K-MCM-41) and manganese metal incorporated MCM-41 type catalysts with Mn/Si molar ratios of 0,20, 0,25 and 0,30 (20-Mn-MCM-41, 25-Mn-MCM-41 and 30-MCM-41) were produced by using the Direct Hydrothermal Synthesis Method.
Prior to the waste water treatment experiments, the characterization of the synthesized catalysts were performed using the XRD, BET, Particle Size Analysis, SEM and EDS methods. XRD results showed that, UK-MCM-41 and K-MCM-41 catalysts had the desired MCM-41 crystal structure, while incorporating the manganese metal disrupted the MCM-41 crystal structure destroying the main and secondary peaks. Similarly, the BET results showed that adding the metal signifcantly reduced the surface area by plugging the pores. The particle size analysis results, on the other hand, showed that, the recipe used for non-metal catalysts caused more agglomeration for the particles, hence the particle sizes were higher for them. Investigation od the SEM photos showed that Mn-MCM-41 type catalysts had less agglomerization than MCM-41 type catalysts and a more homogeneous ditribution of particle sizes and shapes. EDS results indicated that the manganese metal added to the MCM-41 structure was not equal to the theoretical Mn/Si molar ratio given in the synthesis recipes and for the 20-Mn-MCM-41, 25-Mn-MCM-41 and 30-Mn-MCM-41 catalysts, respectively, the "actual" Mn/Si ratios measured on the surface of the catalysts by the EDS analysis were, 0.062, 0.060 and 0.071, respectively. 
The catalytic activities of all catalysts were tested in the removal of phenol from synthetic wastewaters prepared in the laboratory medium containing 50 ppm phenol with an initial (natural) pH value of 6. The phenol removal experiments were carried out at 25, 40 and 60oC, at 500 rpm, for 4.5 hours using 0.15 gram of catalyst per reactor in four identical batch reactor. Choosing four parallel identical reactors has ensured that the effect of the volume loss caused by sampling from the reactors at equal intervals can be neglected (i.e., total volume loss is less than 5% which is acceptable as experimental error). The phenol concentration was determined with a pre-calibrated UV Visible Spectrophotometer by taking samples from the solutions at every 30 minutes.
According to the experimental results, phenol removal increased with temperature for all catalysts. At all temperatures studied, the K-MCM-41 catalyst showed better performance than the UK-MCM-41 catalyst, which is thought to be due to the high BET surface area (1187 m2 / g) it has.
Adding metal to the structure increased the phenol removal efficiency at all studied temperatures. For example, at 25oC, with the K-MCM-41 catalyst, the maximum phenol removal was 40.6% before the metal was added and it was measured 45.8% with the 30-Mn-MCM-41 catalyst after the metal was added. Similarly, at 40oC, the maximum phenol removal was 41% with the K-MCM-41 catalyst, and 53.8% with the 25-Mn-MCM-41 catalyst. Finally, at 60oC, the maximum phenol removal was 41.6% with the       K-MCM-41 catalyst and 56% with the 25-Mn-MCM-41 catalyst.
Among the temperatures studied, at 25oC, 25-Mn-MCM-41 and 30-Mn-MCM-41 catalysts provided very close removal values of 45.2% and 45.8%, respectively. At the other two temperatures of 40 and 60oC, it is seen that the highest removal efficiency was obtained with the 25-Mn-MCM-41 catalyst. When these results are considered, it is seen that the optimum metal loading ratio is 0,060 at the surface of the catalyst (the "actual" EDS Mn/Si molar ratio corresponding to the theoretical Mn/Si ratio of 0.25) and the optimum reaction conditions are 60oC and 500 rpm. At the optimum metal loading, and optimum reaction coditions, a phenol conversion of 56% is obtained. 
As a result, it was seen that it is possible to obtain 56% phenol removal using            Mn-MCM-41 type catalysts with a low amount of metal (i.e., the Mn/Si molar ratio = 0.060), at moderate reaction conditions (60oC and near atmospheric pressure), using the Catalytic Wet Oxidation Method with H2O2 in a batch reactor.