Polar ve non-polar solventlerın katalitik oksidasyon ile giderimi ve etkin katalizör geliştirilmesi
Removal of polar and non-polar solvents by catalytic oxidation and development of effective catalyst
Yazar: ZEHRA BETÜL ÖCAL
Danışman: PROF. DR. AHMET KARAGÜNDÜZ
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tez çalışması; polar ve non-polar solventlerin katalitik oksidasyon yöntemiyle etkili ve ekonomik bir şekilde giderilmesini sağlayan katalizörlerin üretilmesi, incelenmesi ve uygulanmasını amaçlamaktadır. Bu amaçla farklı destek maddeleri ve farklı etkin maddeler kullanılarak 3 farklı katalizör grubu tespit edilmiştir. Destek maddeleri yıllardır geniş yüzey alanıyla katalitik uygulamalarda destek maddesi olarak tercih edilen aktif karbon ve pek çok  uygulama alanı sunan hidrotalsit türevidir. Aktif maddeler olarak katalitik uygulamalarda kendine sıklıkla yer bulan Ce ve Co'ın Mn ile sinerjik etkisi gözlenmiştir. Toplam 13 katalizör (Ce-AC, Ce4Mn-AC, CeMn-AC, CeMn4-AC, Mn-AC, CeMn, Co-AC, Co4Mn-AC, CoMn-AC, CoMn4-AC, CoMn CeCuFe-LDH ve CuFe-LDH), katalizör yapısına göre tespit edilen 3 farklı akış hızı, 5 sıcaklık (250-450oC) ve 2 farklı solvent ile gerçekleştirilen çalışmalarda, oksidasyon performansları, CO2 konsantrasyonları, katalizörlerin neme karşı dirençleri ve yeniden kullanılabilirlikleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar Ce'un katalitik oksidasyon üzerinde oldukça etkili olduğunu göstermiştir. Ce hem Mn hem de CuFe ile sinerjik etki göstermiş ve katalitik oksidasyon performansını artırmıştır. En etkili katalizörler olan Ce4Mn-AC ve CeCuFe-LDH DMAC oksidasyonunda %90 üzerinde performans göstermiştir. Ayrıca Ce'un katalizör ömrünü uzattığı 6 saatlik 9 çalışma döngüsü sonucunda elde edilen veriler ile tespit edilmiştir. CeCuFe-LDH bu döngü sonucunda %5,8'lik performans kaybı gösterirken, Ce4Mn-AC yalnızca %2,8 performans kaybına uğramıştır.Ayrıca Ce'un neme karşı direnci artırdığı, DMAC sulu çözeltilerinin oksidasyonu çalışmaları gerçekleştirilerek tespit edilmiştir. Böylelikle daha önce çalışılmamış olan DMAC katalitik oksidasyon prosesi için etkili katalizörler önerilmiştir. Buna ek olarak tez çalışmasının en önemli adımlarından olan DMAC katalitik oksidasyon mekanizmasının aydınlatılması için oksidasyon gazı karışımın analizi gerçekleştirilmiş ve ara ürünler de tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar reaksiyonun kısıtlayıcı reaktifinin oksijen olduğunu göstermiştir.

Abstract:
This study aims to produce, investigate and application of the catalysts that enable the effective and economical removal of polar and non-polar solvents by catalytic oxidation method. For this purpose, three different catalyst groups were identified using different support materials and different active ingredients. Support materials are activated carbon, which has been preferred as support material in catalytic applications for years with its large surface area, and hydrotalcite derivative, which offers many application areas. A synergistic effect of Ce and Co, which are frequently used in catalytic applications as active substances, with Mn has been observed. 13 catalysts (Ce-AC, Ce4Mn-AC, CeMn-AC, CeMn4-AC, Mn-AC, CeMn, Co-AC, Co4Mn-AC, CoMn-AC, CoMn4-AC, CoMn CeCuFe-LDH and CuFe-LDH), oxidation performances, CO2 concentrations, resistance to moisture and reusability of catalysts were examined in studies carried out with 3 different flow rates, 5 temperatures (250-450oC) and 2 different solvents determined according to the catalyst structure. The results obtained showed that Ce is very effective on catalytic oxidation. Ce showed a synergistic effect with both Mn and CuFe and increased the catalytic oxidation performance. The most effective catalysts, Ce4Mn-AC and CeCuFe-LDH, showed over 90% performance in DMAC oxidation. In addition, it was determined that Ce extended the catalyst life with the data obtained as a result of 9 working cycles of 6 hours. While CeCuFe-LDH showed a 5.8% performance loss as a result of this cycle, Ce4Mn-AC suffered only a 2.8% performance loss. In addition, it was determined by carrying out oxidation studies of DMAC aqueous solutions that Ce increased the resistance to moisture. Thus, effective catalysts have been proposed for the DMAC catalytic oxidation process, which has not been studied before. In addition, in order to elucidate the DMAC catalytic oxidation mechanism, which is one of the most important steps of the thesis study, the oxidation gas mixture was analyzed and intermediate products were identified. The results obtained showed that the limiting reagent of the reaction was oxygen.