Katalitik ıslak peroksit oksidasyonu yoluyla azo boyar madde gideriminde kullanılmak üzere bentonit destekli katalizör sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of bentonite supported catalyst for the removal of azo dye by catalytic wet peroxide oxidation
Yazar: MİNE TAŞTABAN
Danışman: DOÇ. DR. İLKER KIPÇAK
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yapılan çalışmada, farklı oranlarda ve kombinasyonlarda Al metali ve Cu, Ni, Co, Mn, Fe ve Cr aktif metallerini içeren sodyumla doyurulmuş bentonit (NaB) destekli katalizörler sentezlenerek karakterize edilmiş ve katalitik ıslak peroksit oksidasyonu yoluyla sulu çözeltilerden Reaktif Black 5 (RB5) azo boyar maddesinin gideriminde kullanılabilirlikleri araştırılmıştır. Bentonit ve hazırlanan destekli katalizörlerin karakterizasyonları XRD, XRF, BET, SEM, EDS, FTIR ve XPS analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmalarında metallerin bentonit üzerine tutunduğu ve sentezlenen katalizörlerde kil yapısının korunduğu saptanmıştır. Aktif metallerin katalitik ıslak peroksit oksidasyonu ile RB5 boyar maddesinin parçalanmasında katalitik aktivitelerinin belirlenmesi amacı ile metal türü, oranı ve kombinasyonu, katalizör miktarı, pH, sıcaklık, kalsinasyon sıcaklığı ve H2O2 derişiminin etkileri incelenmiştir. Renk gideriminin yanı sıra toplam organik karbon (TOK) giderimi, destekli katalizörlerin tekrar kullanılabilirliği ve tepkime kinetiği araştırılmıştır. 400oC kalsinasyon sıcaklığı, 0,05 g katalizör miktarı, pH 3,7, 25oC sıcaklık ve 0,15M H2O2 derişimi en uygun deney koşulları olarak belirlenmiştir. Al metalinin yanında tek aktif metal kullanılarak hazırlanan katalizörler ile gerçekleştirilen çalışmalarda NaBAlCr24 katalizörünün katalitik aktivitesinin en yüksek olduğu belirlenmiştir. 4 saat tepkime süresi sonunda %91,68 oranında renk giderim verimi ve %60 oranında TOK giderim verimi elde edilmiştir. Kromun katalitik aktivitesi kobalt veya demir eklenmesi durumunda artış göstermiştir. Al metalinin yanında iki aktif metal kullanılarak hazırlanan katalizörlerde ise en yüksek katalitik aktivite NaBAlCr18Fe6 katalizöründe elde edilmiştir. 90 dk tepkime süresinde %98,38 renk giderim verimine ulaşılmıştır. Ayrıca, 4 saat sonunda %95 TOK giderim verimi elde edilmiştir. Oksidasyon tepkimesinin yalancı birinci derece kinetik modeli ile uyum sağladığı tespit edilmiştir. Tepkimenin aktivasyon enerjisi (Ea) 8,56 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Sonuç olarak, bentonit destekli katalizörlerin katalitik ıslak peroksit oksidasyonu yoluyla sulu çözeltilerden azo boyar madde gideriminde etkin ve ekonomik katalizörler olarak kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, sodium-saturated bentonite (NaB) supported catalysts containing Al metal and Cu, Ni, Co, Mn, Fe and Cr active metals in different ratios and combinations were synthesized, characterized and used for the removal of Reactive Black 5 (RB5) azo dye from aqueous solutions by catalytic wet peroxide oxidation process. Characterization of bentonite and prepared catalysts was carried out by XRD, XRF, BET, SEM, EDS, FTIR and XPS analyzes. The characterization analyzes showed that the montorillonite structure was preserved and the active metals were adsorbed on the bentonite.  In order to determine the catalytic activities of the active metals in degradation of RB5 dye by catalytic wet peroxide oxidation process, the effects of active metal type, ratio and combination, catalyst amount, pH, temperature, calcination temperature and H2O2 concentration were investigated. Color and total organic carbon (TOC) removal rates, re-usability of supported catalysts and the reaction kinetics were investigated. 400oC calcination temperature, 0.05 g catalyst amount, pH 3.7, 25oC temperature and 0.15M H2O2 concentration were determined as the most suitable conditions. The NaBAlCr24 catalyst has the highest catalytic activity in the studies which carried out with the catalysts prepared using Al metal and different single active metals. At the end of 4 hours reaction time, 91.68% color removal efficiency and 60% TOC removal efficiency were obtained. The catalytic activity of the chromium increased in the case of cobalt or iron addition. In the catalysts prepared using two active metals with the metal Al metal, the highest catalytic activity was obtained in the NaBAlCr18Fe6 catalyst. 98.38% color removal efficiency was reached in 90 min reaction time. In addition, 95% TOC removal efficiency was obtained after 4 hours. For the catalysts, it was determined that the reaction obeyed the pseudo-first-order kinetic model. The activation energy (Ea) of the reaction was calculated as 8,56 kJ/mol. As a result, it has been determined that bentonite supported catalysts could be used as effective and economical catalysts for the removal of azo dyes from aqueous solutions by catalytic wet peroxide oxidation.