Killerden üretilen spinel yapıların farklı boyar maddelerin gideriminde değerlendirilmesi
Evaluation of spinels synthesized from clays in the removal of different dyes
Yazar: ELİF SENCAR
Danışman: PROF. DR. EMEK DERUN ; DOÇ. DR. FATMA TUĞÇE DUMANLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son zamanlarda ilgi çekici optik, elektriksel, manyetik özellikleri ve yapıları sebebi ile spinel grubu bileşikler bilim ve mühendislikte büyük ilgi gören çok yönlü malzemelerdir. Kobalt alüminat (CoAl2O4) spinel grubu bileşiklerinin önemli bir üyesidir. Kobalt alüminatın karakteristik özelliği "Parlak mavi" veya "Thenard mavisi" olarak adlandırılan bir renge sahip olmasıdır. Yüksek mekanik direnç, kimyasal ve termal stabilite, mükemmel renk performansı gibi benzersiz özellikleri ile kobalt alüminat, çeşitli malzemelerin renklendirilmesinde, nem sensörlerinde, organik kirleticilerin fotodegradasyonunda ve yanma reaksiyonlarının katalizörleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. 
Literatürde sol-jel, hidrotermal, katı hal, yanma, birlikte çöktürme, nitrat, poliakrilamid jel, mikrodalga destekli koloidal teknik gibi çeşitli yöntemlerle  üretilen kobalt alüminat, bu çalışmada ultrasonik destekli birlikte çöktürme yöntemi ile başarı bir şekilde sentezlenmiştir. Ancak literatürden farklı şekilde, alüminyum kaynağı olarak kimyasal kullanmak yerine doğal bir kaynak olan kil hammaddesi alüminyum kaynağı olarak kullanılmıştır. Kobalt alüminat üretimi için optimum koşulların belirlenmesi amacı ile değişen sentez parametrelerinde (Co/Al oranı, pH, karıştırma süresi, kalsinasyon sıcaklığı ve kalsinasyon süresi gibi) deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda optimum parametreler  Co/Al oranı için 0,5 (mol/mol), karıştırma süresi için 10 dakika, pH için 5, kalsinasyon sıcaklığı için 1100 ºC ve kalsinasyon süresi için 1 saat olarak belirlenmiştir. 
Kolorimetrik renk analizi ölçümlerinde en düşük b* değeri -25,77 ile optimum numune olarak belirlenen K-13 kodlu örnekte gözlenmiştir. Seçilen  K-6, K-8, K-13 ve K-14 kodlu numunelerin karakterizasyon çalışmaları X-Işını Difraktometresi (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen numunelerin XRD desenleri '01-082-2250' numaralı toz kırınım dosyası ile eşleştirilerek spinel olarak tanımlanmıştır. FT-IR analiz sonuçları ilgili dört numune için yaklaşık 1091, 790, 689 cm-1 karakteristik bant değerleri ile CoAl2O4 spinel faz oluşumu ile ilişkilendirilmiştir. 
Optimum olarak seçilen K-13 kodlu numunenin Termogravimetrik ve Diferansiyel Termal Analiz (TG-DTA), Taralamalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve fotobozunma karakterizasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Termal analiz sonuçları numune yapısının 1100 °C'ye kadar stabilitesini kanıtlamıştır. SEM sonuçlarına bakıldığında parçacık boyutu dağılımları 100–400 nm arasında bulunmuştur. Fotobozunma çalışmaları UV reaktörde gerçekleştirilen optimum numunenin, 150. dakikada %74'lük bir giderim ile Kongo kırmızısı boyar maddesini giderdiğini göstermiştir. Diğer boyar maddelerden olan Metilen mavisi ve Metil turuncusunu ise 360.dakikada sırasıyla %81 ve %55 oranında giderdiği görülmüştür.

Abstract:
Recently, spinel group compounds are versatile materials that have attracted great attention in science and engineering due to their interesting optical, electrical and magnetic properties and structures. Cobalt aluminate (CoAl2O4) is an important member of the spinel group compounds. The characteristic feature of cobalt aluminate is that it has a color called "Bright blue" or "Thenard blue". With its unique properties such as high mechanical resistance, chemical and thermal stability, excellent color performance, cobalt aluminate is widely used in coloring various materials, humidity sensors, photodegradation of organic pollutants and as catalysts of combustion reactions. 
Cobalt aluminate, which is produced by various methods in the literature such as sol-gel, hydrothermal, solid state, combustion, co-precipitation, nitrate, polyacrylamide gel, microwave-assisted colloidal technique, was successfully synthesized by ultrasonic-assisted co-precipitation method in this study. However, unlike the literature, instead of using chemicals as the source of aluminum, clay raw material, which is a natural source, was used as the source of aluminum. In order to determine the optimum conditions for cobalt aluminate production, experiments were carried out with varying synthesis parameters (such as Co/Al ratio, pH, mixing time, calcination temperature and calcination time). As a result of experimental studies, the optimum parameters were determined as 0.5 (mol/mol) for Co/Al ratio, 10 minutes for mixing time, 5 for pH, 1100 ºC for calcination temperature and 1 hour for calcination time. 
In colorimetric color analysis measurements, the lowest b* value was observed in the sample coded K-13, which was determined as the optimum sample with -25.77. Characterization studies of the selected K-6, K-8, K-13 and K-14 coded samples were carried out using X-Ray Diffractometry (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) methods. The XRD patterns of the synthesized samples were identified as spinel by matching them with the powder diffraction file numbered '01-082-2250'. FT-IR analysis results were associated with the formation of CoAl2O4 spinel phase with characteristic band values of approximately 1091, 790, 689 cm-1 for the four relevant samples. 
Thermogravimetric and Differential Thermal Analysis (TG-DTA), Scanning Electron Microscope (SEM) and photodegradation characterization analyses were performed on the K-13 sample coded sample, which was selected as the optimum. Thermal analysis results proved the stability of the sample structure up to 1100°C. Looking at the SEM results, particle size distributions were found to be between 100–400 nm. Photodegradation studies showed that the optimum sample performed in the UV reactor removed the Congo red dye with a removal of 74% in the 150th minute. It was observed that other dyes, Methylene blue and Methyl orange, were removed by 81% and 55%, respectively, in 360 minutes.