Biyoatıklardan elde edilen aktif karbonlar ile sulu çözeltilerden amoksisilin adsorpsiyonunun izoterm ve kinetik çalışmaları
Isotherm and kinetic studies of amoxicillin adsorption from aqueous solutions with activated carbons obtained from biowastes
Yazar: BAHAR YAVUZ
Danışman: DOÇ. DR. AYDAN AKSOĞAN KORKMAZ
Malatya Turgut Özal Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Son yıllarda, antibiyotikler, tıptaki kullanımlarının yanı sıra tarım ve hayvancılıkta da sıklıkla kullanılmaktadır. Özellikle amoksisilin (AMX), geniş spektrumlu bir β-laktam antibiyotik olarak, birçok Gram-pozitif organizma ve sınırlı sayıda Gram-negatif organizmaya karşı etkili bir antibiyotiktir. AMX stabil ve suda kolayca bozulmadığından atık sular, toprak ve sedimanlarda yaygın bir şekilde bulunmaktadır. Antibiyotik bu içeren suların, insan ve çevre sağlığının korunması için etkin bir işlemle arıtılması gerekmektedir. 
Bu tez çalışması kapsamında; domates, biber ve patlıcan gibi bol miktarda bulunan lignoselülozik tarımsal atıklardan sentezlenen aktif karbonların morfolojik, yapısal, kimyasal ve adsorpsiyon özellikleri araştırılmıştır. İki aşamalı kimyasal aktivasyon yöntemi, N2 atmosferi altında yapılmıştır. İlk olarak, biyokütlelerin 500°C'de 1 saat süreyle karbonizasyonu, ardından, farklı KOH emprenye oranlarında (1:1, 1:2, 1:3) 800°C'de 1 saat süresince aktivasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Gözenekli aktif karbon malzemelerin karakterizasyonu elementel analiz (C, H, N, S), X-Ray Difraktometre (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) ve Tarama Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleriyle yapılmıştır. Aktif karbonların adsorban özelliklerinin belirlenmesi için amacıyla farklı konsantrasyonlardaki sulu çözeltilerden amoksisilin giderimi batch adsorpsiyon yöntemiyle araştırılmıştır. 1:3 biyokütle/KOH ağırlık oranına sahip aktif karbonlar en yüksek yüzey alanlarına (2070-2254 m²/g) sahip olduğundan adsorpsiyon deneylerinde bu örnekler kullanılmıştır. Adsorpsiyon mekanizması, Langmuir ve Freundlich izotermleriyle; kinetikler analizi ise, Partikül İçi Difüzyon, Yalancı Birinci Derece ve Yalancı İkinci Derece modelleriyle aydınlatılmıştır. Adsorpsiyon mekanizması için en uygun model Langmuir izotermi, adsorpsiyon kinetiği için en uygun model ise Yalancı İkinci Derece model olarak belirlenmiştir. Amoksisilinin sulu çözdeltilerden uzaklaştırılması %96.4 başarıyla gerçekleşmiş olup, 50 ppm başlangıç konsantrasyonunda ve 75 dakika temas süresinde maksimum Langmuir adsorpsiyon kapasitesi 330.60 mg/g olarak hesaplanmıştır. 
Sonuç olarak, tarımsal atıklardan elde edilen aktif karbonun, çevresel sürdürülebilirlik ve su kalitesinin korunması açısından stratejik olarak önemli olduğuna karar verilmiştir.

Abstract:
In recent years, antibiotics have been increasingly used not only in medicine but also in agriculture and animal production. Specifically, amoxicillin (AMX), a broad-spectrum β-lactam antibiotic, is effective against many Gram-positive organisms and a limited number of Gram-negative organisms. Since AMX is stable and does not easily decompose in water, it is commonly found in wastewater, soil, and sediments. Water containing antibiotics needs to be treated with an effective process to protect human and environmental health.	
In this thesis, the morphological, structural, chemical, and adsorption properties of activated carbons synthesized from abundant lignocellulosic agricultural wastes such as tomato, pepper, and eggplant have been investigated. A two-step chemical activation method was applied under a N2 atmosphere. First, the biomasses were carbonized at 500°C for 1 hour, followed by activation at 800°C for 1 hour with different KOH impregnation ratios (1:1, 1:2, 1:3). The characterization of the porous activated carbon materials was performed using elemental analysis (C, H, N, S), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques. The adsorption properties of the activated carbons were investigated by batch adsorption method for the removal of amoxicillin from aqueous solutions at different concentrations. Since the activated carbons with a 1:3 biomass/KOH weight ratio exhibited the highest surface areas (2070-2254 m²/g), these samples were used in the adsorption experiments. The adsorption mechanism was elucidated using Langmuir and Freundlich isotherms, while the kinetic analysis was conducted using the Intra-Particle Diffusion, Pseudo-First-Order, and Pseudo-Second-Order models. The most suitable model for the adsorption mechanism was the Langmuir isotherm, while the Pseudo-Second-Order model was found to be the most appropriate for adsorption kinetics. The removal of amoxicillin from aqueous solutions was successfully achieved with an efficiency of 96.4%, and the maximum Langmuir adsorption capacity was calculated to be 330.60 mg/g at an initial concentration of 50 ppm and a contact time of 75 minutes. 
In conclusion, it has been determined that activated carbon derived from agricultural waste is strategically important for environmental sustainability and the protection of water quality.