İleri oksidasyon yöntemleriyle boyar madde içeren sulu çözeltilerin yeni fotokatalitik elektrotlar ile arıtılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of the treatability of dye containing aqueous solutions by advanced oxidation processes with novel photocatalytic electrodes
Yazar: ÇİSİL GÜLÜMSER
Danışman: PROF. DR. SEVİL VELİ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, üç tekil ileri oksidasyon prosesi ve bunların hibrit uygulaması ile reaktif azo ve direkt oksazin tekstil boyalarının sulu çözeltiden giderimi renk ve toplam organik karbon (TOK) üzerinden incelenmiştir. Yanıt Yüzey Yöntemi (YYY) ile deneysel tasarım uygulanarak, her bir proses için belirlenmiş bağımsız değişkenlerin giderim verimleri üzerindeki etkileri araştırılmış ve optimum şartlar belirlenmiştir. Elektrooksidasyon ve fotokatalitik oksidasyon için Merkezi Kompozit Tasarım (MKT) tercih edilirken, elektro-Fenton ve hibrit proses için Box-Behnken Tasarımı (BBT) uygun bulunmuştur.
Fotokimyasal oksidasyonda kullanılacak ve paslanmaz çelik üzerine kaplanacak fotokatalizörün belirlenmesi için Bulanık Aksiyomatik Tasarım (BAT) metodu uygulanmış ve beş farklı metal oksit arasından bizmut tungstat (Bi2WO6) uygun malzeme olarak seçilmiştir. Basit termal metotla sentezlenen Bi2WO6'nın en yüksek zeta potansiyeli pH 9'da ölçülmüş ve bu pH'ta paslanmaz çelik yüzeyine elektroforetik biriktirme ile kaplanmıştır.
Belirlenen parametre seviyelerinde, elektrooksidasyon, elektro-Fenton ve hibrit proseslerde her iki boya için renk giderim verimleri %90'nın üzerinde gerçekleşmiştir. Ayrıca TOK giderimleri görece kısa sürelerde bu prosesler için %50'ye ulaşmıştır. Fotokimyasal oksidasyonda, UVC ile yüksek pH'ta çalışılan deneyler hariç renk giderimi düşük olmuş, TOK giderimi ise gözlenmemiştir. Elde edilen en yüksek TOK giderimleri sırasıyla elektrooksidasyon için %50 (azo) ve %61 (oksazin), elektro-Fenton için %47,5 (azo) ve %47 (oksazin), hibrit proses içinse %49 (azo) ve %67 (oksazin) olmuştur. Her iki boya için elektrooksidasyonda en etkin parametrenin süre iken, elektro-Fenton ve hibrit proseste pH olduğu gözlenmiştir.
Hibrit proseste her iki boya için kinetik çalışmalar yapılmış olup, sistemin sözde birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uyduğu gözlenmiştir. Bununla birlikte, elektrooksidasyon ile boyaların parçalanma yan ürünleri GC/MS ile analiz edilmiştir. Buna göre, muhtemel yan ürünler ve her iki boya için parçalanma basamakları önerilmiştir. 
Özellikle oksazin boyanın kısa sürede giderimi için hibrit prosesin oldukça etkili bir alternatif olduğu, kaplanan paslanmaz çelik elektrot ile iyi verimler elde edildiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, the removal of reactive azo and the direct oxazine textile dyes from aqueous solutions by three singular advanced oxidation processes (AOPs) and their hybrid application were examined in terms of color removal and total organic carbon (TOC). Applying the experimental design with Response Surface Method (RSM), the effects on the removal efficiencies of the designated independent variables for each process were investigated and optimum conditions were determined. While Central Composite Design (CCD) was preferred in electrooxidation and photocatalytic oxidation processes, Box-Behnken Design (BBD) was approved for electro-Fenton and hybrid processes.
In order to determine the photocatalyst used in photochemical oxidation and coated on stainless steel, Fuzzy Axiomatic Design (FAD) method was applied, and bismuth tungstate (Bi2WO6) was selected as the suitable material among five different metal oxides. The highest zeta potential of Bi2WO6 synthesized by simple thermal method was measured at pH 9 and it was coated on the stainless steel surface by electrophoretic deposition at this pH.
At the selected levels of the parameters, the color removal efficiencies were over 90% for both dyes in electrooxidation, electro-Fenton and hybrid processes. In addition, TOC removals reached 50% for these processes relatively in a short span of time. In photochemical oxidation, color removal was low, except for the experiments performed with UVC at high pH levels, and TOC removal was not observed. The highest TOC removals obtained were 50% (azo) and 61% (oxazine) for electrooxidation, 47.5% (azo) and 47% (oxazine) for electro-Fenton, 49% (azo) and 67% for hybrid process, respectively. While time was the most effective parameter in electrooxidation for both dyes, pH was the one observed in electro-Fenton and hybrid processes.
Kinetic studies have been carried out for both dyes in the hybrid process and it has been observed that the system complies with the pseudo-first-order reaction kinetics. Furthermore, the degradation by-products of the dyes in the electrooxidation were analyzed with GC/MS. Accordingly, possible by-products and degradation steps for both dyes were suggested. 
The hybrid process was revealed as a prominent alternative, especially for the removal of oxazine dye in a short time, and convincing efficiencies were obtained with the coated stainless steel electrode.