Biyokütleden biyoçar bazlı nanokompozitlerin sentezi, karakterizasyonu, malahit yeşili ve metilen mavisi boyalarının sulu çözeltilerden giderimi
Synthesis, characterization of biochar-based nanocomposites from biomass, removal of malachite green and methylene blue dyes from aqueous solutions
Yazar: ELİF GEZGİNCİ
Danışman: PROF. DR. EROL PEHLİVAN
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Endüstriyel gelişmeler yaşam kalitesini artırırken, su ortamına salınan organik maddeler çevreyi ve insan sağlığını olumsuz yönde etkilemektedir. Boya atıklarının oluşturduğu sucul ortamından, Malahit yeşili (MY) ve Metilen mavisi (MM) boyalarının uzaklaştırılması son derece önemlidir. Boya gideriminde uygulanan adsorpsiyon yöntemi düşük maliyeti, adsorban çeşitliliği, kolay bulunabilirliği ve ucuzluğu nedeniyle tercih edilen bir yöntemdir. 
Bu çalışmada, sarmaşık gül (Rosa rampicanti) tohumu (RS) ve yalancı palmiye (Cycas revoluta) tohumu (CS) biyokütleleri, bu biyokütlelerin piroliz ürünü olan biyoçarlar (RSB, CSB) ve biyoçarlara SnO2 ve ZrO2 nanopartiküller katkılanarak sentezlenen biyoçar nanokompozitler (N1, N2, N3, N4) olmak üzere toplam sekiz adsorban sentezlenmiştir. Sentezlenen adsorbanlar FT-IR, XRD, FESEM ve EDX analizleri ile karakterize edilmiştir. Adsorbanlar kullanılarak MY ve MM boyalarının çözelti ortamından giderimi amacıyla kesikli adsorpsiyon deneyleri düzenlenmiştir. Adsorpsiyona etki eden parametrelerden pH, adsorban miktarı, boyanın başlangıç derişimi, temas süresi ve sıcaklık optimize edilmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre çözelti pH'ı bazik değerler arasında olduğu zaman maksimum adsorplama gerçekleşmiştir. Optimum adsorban dozu; biyokütleler için 3,0-4,0 mg/L, biyoçarlar için 2,0 mg/L ve biyoçar nanokompozitler için 0,5-1,0 mg/L olarak bulunmuştur. Adsorpsiyon denge süreci, biyokütle adsorbanlar kullanıldığında daha uzun sürede (120-180 dk), biyoçar adsorbanlar kullanıldığında ise daha kısa sürede (90 dk) olmuştur. Denge çalışmalarında, en kısa denge temas süresi ise, biyoçar nanokompozit adsorbanların kullanıldığı durumlarda gözlemlenmiştir.
İzoterm eğrileri çizilmiş ve sürecin tüm adsorbanlar için Langmuir izoterm modeline uygun olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen maksimum adsorplama kapasiteleri MM boyası gideriminde, RS için 6,59 mg/g, CS için 7,93 mg/g, RSB için 25,95 mg/g ve CSB için 33,14 mg/g bulunmuştur. Biyoçar nanokompozit adsorbanların maksimum adsorplama kapasiteleri ise N1 için 114,81 mg/g, N2 için 156,99 mg/g, N3 için 95,24 mg/g ve N4 için 117,93 mg/g olarak hesaplanmıştır. Elde edilen maksimum adsorplama kapasiteleri MY boyası gideriminde, RS için 12,97 mg/g, CS için 14,66 mg/g, RSB için 32,49 mg/g ve CSB için 35,47 mg/g bulunmuştur. Biyoçar nanokompozit adsorbanların maksimum adsorplama kapasiteleri ise N1 için 178,57 mg/g, N2 için 195,70 mg/g, N3 için 141,44 mg/g ve N4 için 129,87 mg/g olarak hesaplanmıştır. Kinetik çalışmalar, sürecin yalancı ikinci derece kinetik model ile uyumlu olduğunu göstermektedir. Sıcaklığın adsorpsiyon verimine etkisinin belirlenmesi için farklı sıcaklıklarda (25, 35 ve 45°C) deneyler yapılmıştır. Sıcaklık ile birlikte MM ve MY giderim verimi artmıştır ancak bu artış oldukça küçüktür.

Abstract:
While industrial developments increase the quality of life, organic substances released into the aquatic environment negatively affect the environment and human health. It is extremely important to remove Malachite green (MG) and Methylene blue (MB) dyes from the aquatic environment created by dye wastes. The adsorption method applied in dye removal is a preferred method due to its low cost, adsorbent diversity, and easy availability.
In this study, a total of eight adsorbents were synthesized, including ivy rose (Rosa rampicanti) seed (RS) and sago palm (Cycas revoluta) seed (CS) biomasses, biochars, which are the pyrolysis products of these biomasses, and biochar nanocomposites (N1, N2, N3, N4) synthesized by adding SnO2 and ZrO2 nanoparticles to the biochars. The synthesized adsorbents were characterized by FT-IR, XRD, FESEM, and EDX analyses. Batch adsorption experiments were carried out to remove MB and MG dyes from the solution medium using adsorbents. Among the parameters affecting adsorption, pH, amount of adsorbent, initial concentration of dye, contact time, and temperature were optimized.
According to the results of the experiments and calculations, maximum adsorption occurred when the solution pH was between basic values. The optimum adsorbent doses were found 3.0-4.0 mg/L for biomasses, 2.0 mg/L for biochars, and 0.5-1.0 mg/L for biochar nanocomposites. The adsorption equilibrium process was longer (120-180 min) when biomass adsorbents were used, and shorter (90 min) when biochar adsorbents were used. The shortest equilibrium contact time was observed when biochar nanocomposite adsorbents were used in equilibrium studies.
Isotherm curves were drawn, and it was determined that the process was suitable for the Langmuir isotherm model for all adsorbents. The maximum adsorption capacities obtained when MB dye was used were found 6.59 mg/g for RS, 7.93 mg/g for CS, 25.95 mg/g for RSB, and 33.14 mg/g for CSB. The maximum adsorption capacities of biochar nanocomposite adsorbents were calculated as 114.81 mg/g for N1, 156.99 mg/g for N2, 95.24 mg/g for N3, and 117.93 mg/g for N4. The maximum adsorption capacities obtained when MG dye was used were found 12.97 mg/g for RS, 14.66 mg/g for CS, 32.49 mg/g for RSB, and 35.47 mg/g for CSB. The maximum adsorption capacities of biochar nanocomposite adsorbents were calculated as 178.57 mg/g for N1, 195.70 mg/g for N2, 141.44 mg/g for N3, and 129.87 mg/g for N4. Kinetic studies show that the process is compatible with the pseudo-second-order kinetic model. Experiments were carried out at different temperatures (25, 35, and 45°C) to determine the effect of temperature on adsorption efficiency. MB and MG removal efficiency slightly increased with temperature.