Termal santrallerden elde edilen uçucu kül tabanlı nanopartiküllerin türlerinin belirlenmesi, yapısal karakterizasyonu ve termoplastik nanokompozit dolgu malzemesi olarak kullanım potansiyellerinin araştırılması
Isolation and identification of oxide nanoparticles in fly ashes from Turkish thermal power plants and investigation of their potentials as fillers in polymeric nanocomposites
Yazar: KAAN BİTİRİM
Danışman: DOÇ. DR. HATİCE DURAN DURMUŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Uçucu küller termik santrallerde kömürün yanması sonucu oluşan atık ürünüdür. Dünya çapında yaklaşık 800 milyon ton uçucu kül üretilmekte ve bu miktarın termik santral sayısının artmasına bağlı, yükselmesi beklenmektedir. Söz konusu uçucu küller %15 oranında geri dönüştürülmektedir.  Bu atıkların çevre kirliliği üzerindeki etkisi göz ardı edilemeyeceğinden geri dönüşüm küresel bir problemdir. Türkiye'de her yıl 17 milyon ton uçucu kül üretilmekte fakat sadece %16.7'si inşaat, asfalt sanayisinde kullanılmaktadır. Uçucu kül bünyesinde çok yüksek oranda nano ve mikro partikül varlığı bu malzemelerin yüksek teknolojik malzemelerde dolgu materyali olarak kullanımını gündeme getirmiştir. Bu durum uçucu küllerin geri dönüşümünün ülke ekonomisine olumlu katı yapma potansiyelinin araştırılması gerekliliğini doğurmuştur. Bu çalışma kapsamında, uçucu küllerden oksit bazlı nanopartikülleri (ONP'ler) elde etmek için basit, çok yönlü ve ekonomik bir teknik geliştirilmiştir. SiO2 ve Fe3O4 ONP'ler zenginleştirilmiş fraksiyonları seçici olarak elde edilmiştir. Fe3O4 ve SiO2 toplam geri kazanımı sırasıyla %53.46 ve %55 şeklinde tespit edilmiştir. Bu duruma ek olarak ham uçucu külden başarılı bir şekilde Ga2O3, PbO ve ZrO gibi ağır metaller uzaklaştırılmıştır. Ayrıca, ONP'den oluşan bir polipropilen (PP) matrisi içinde SiO2 ONP'lerden oluşan  (içerik %0.5-%1.5, ağırlık %2.5-%5) nanokompozit hazırlanmıştır. ONP'lerin yapısal ve kimyasal analizleri, XRF ve XPS ile gerçekleştirilmiş, parçacık büyüklüğü / boyut dağılımı TEM ve dinamik ışık saçılımı ile karakterize edilmiştir. Etkin yüzey alanları Braunnet-Emmet-Teller (BET) analizi ile ölçülmüştür. Nanokompozit hazırlama için çift vidalı bir ekstrüder kullanılmıştır. Tüm nanokompozitlerin gerilme ve eğilme mukavemetinin ONP dolgu miktarına bağlı olarak bir miktar arttırıldığı gözlemlenmiştir. Nanokompozitlerin darbe direnci azalırken, elastik modül kompozisyon, sıcaklık ile değişmektedir. Ayrıca, zararlı ağır metallerden arındırılmış ve spesifik yüzey alanları arttırılmış silikaca zengin uçucu küllerden hafif aerojeller elde edilmiştir. Bu jellerin termal iletkenlik ve termal difüzyon katsayıları ölçülerek ısı yalıtım malzemesi olarak kullanım alanları araştırılmıştır. Özet olarak, uçucu küllerden elde edilen Fe3O4 ve SiO2'lerce zenginleştirilmiş Fe3O4 , SiO2 ONP'lerin etkili bir şekilde geri kazanımı sağlanmıştır. Bu sebeple söz konusu yapıların endüstriyel anlamda ilgili bir ürün potansiyeli de araştırılarak çalışma tamamlanmıştır.

Abstract:
Fly ash is the waste product of combustion of coal in a thermal power plants. Approximately 800 million tons of fly ash can be produced world wide and this number is expected to increase with the increase the number of thermal power plants. The recycling of fly ash is around 15% worldwide. The impact of these wastes on environmental pollution cannot be underestimated, and for this reason recycling is a global problem. More than 17 million tons of fly ash are produced every year in Turkey and only 16.7% of this amount is used in construction and asphalt sector. The presence of nano and microparticles in fly ash contains the use of these materials as a filler material in high-tech materials. This has led to the need to explore the potential of the return of fly ash to the positive growth of the country's economy. We had developed simple, versatile and economical technique to fractionate oxide based nanoparticles (ONPs) from fly ashes. We obtained selectively SiO2 and Fe3O4 NPs enriched fractions. Total recovery of Fe3O4 and SiO2 were 53.46% and 55%, respectively. In addition, ham fly ash has been successfully removed from heavy metals such as Ga2O3, PbO and ZrO. Furthermore, homogeneously dispersed nanocomposite films in polypropylene(PP) is prepared by using SiO2(content 0.5%-1.5%, and, 2.5%-5% weight).Chemical identification of NPs were conducted with XRF and XPS for structural and chemical analysis, while particle size/size distribution was characterized by TEM and dynamic light scattering. Effective surface areas were measured by Braunnet-Emmet-Teller (BET) analysis. A twin screw extruder was used for nanocomposite preparation. The tensile and bending strength of all nanocomposites were increased. While the impact resistance of the nanocomposites were decreased.The elastic modulus varied with the composition and temperature. Light aerogels have been obtained from silica-rich fly ash which have been removed from harmful heavy metals and increased specific surface areas. In summary, Fe3O4 and SiO2 -enriched Fe3O4 and SiO2 ONPs obtained from fly ash were efficiently recovered from NPs, and a product potential for use as an industrially related product was investigated.