Bor katkılı nafion membranların sentezlenmesi ve H-tipi elektrokimyasal hücrede fenol giderimi etkinliğinin incelenmesi
Synthesis of boron-doped nafion membranes and investigation of phenol removal efficiency in an H-type electrochemical cell
Yazar: SABRİ KALKAN
Danışman: PROF. DR. BAHADIR KÜRŞAD KÖRBAHTİ
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
ÖZET

BOR KATKILI NAFION MEMBRANLARIN SENTEZLENMESİ VE H-TİPİ ELEKTROKİMYASAL HÜCREDE FENOL GİDERİMİ ETKİNLİĞİNİN İNCELENMESİ

Doktora tez çalışmasının amacı farklı bor yapılı malzemelerle katkılanarak hazırlanan Nafion membranların bölünmüş, H-tipi hücrede Pt-Ir ve BDD anot ve Fe katot kullanılarak fenolün sulu çözeltilerde elektrokimyasal oksidasyonunun sağlanmasıdır. Bu çalışmada H- tipi hücrede kullanılmak üzere katkısız Nafion membran ve   %1 ve %2 üleksit (NU-1, NU-2), kolemanit (NK-1, NK-2) ve Etidot-67 (NE-1, NE-2) membranlar hazırlanmıştır. Hazırlanan membranların FTIR, RAMAN, XRD SEM, EDX analizleri ile karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda H-tipi hücrede kullanılan Pt-Ir ve BDD anot elektrodun, uygulanan akım yoğunluğunun, anolit bölgesinde NaCl elektrolit varlığının, katolit bölgesinde FeSO4 ve Al2(SO4)3 koagülant varlığının ve H-tipi hücrede kullanılan membran çeşidinin anolit ve katolit bölgelerinde fenol giderimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. H-tipi hücrede Pt-Ir anot varlığında NE-1, BDD anot kullanılarak NE-2 membran ile 500 mg/L fenol başlangıç derişimi 0,5 M H2SO4 + 5 g/L NaCl anolit çözeltisi ve 500 mg/L fenol başlangıç derişimi, 0,5 M H2SO4 + 5 g/L FeSO4 katolit çözeltisine 50 mA/cm2 akım yoğunluğunun uygulandığı koşullar optimum koşullar olarak belirlenmiştir. Optimum deney koşullarında Pt-Ir anot kulanılarak 30 dakikada anolit bölgesinde %100 fenol giderimi elde edilirken, BDD anot varlığında 8 dakikada anolit bölgesinde %100 fenol giderimi gerçekleşmiştir. Optimum deney koşullarında fenol giderimi için reaksiyon kinetiği sonuçlarında Pt-Ir elektrot kullanıldığında anolit bölgesinde birinci dereceden gerçekleşen reaksiyonun hız sabiti 0,0702 dakika-1, katolit bölgesinde hız sabiti 0,076 dakika-1, BDD elektrot kullanıldığında anolit bölgesinde birinci dereceden gerçekleşen reaksiyonun hız sabiti 0,3988 dakika-1, katolit bölgesinde hız sabiti 0,0139 dakika-1 olarak belirlenmiştir.Anolit bölgesinde NaCl elektrolit kullanıldığında reaksiyon ara ürünleri olarak 2-klorofenol, 4-klorofenol, 2,4-diklorofenol, 2,4,6-triklorofenol belirlenirken, 0,5 M H2SO4 kullanıldığı durumda ara ürün olarak hidrokinon, benzokinon ve katekol oluşumu tespit edilmiştir. Deneysel çalışmalarda bor katkılı Nafion membran hazırlanması ve H-tipi hücrede fenolün anolit ve katolit bölgelerinde elektrokimyasal oksidasyonu başarıyla gerçekleştirilmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Fenol, Oksidasyon, Nafion, Membran, H-tipi hücre

Danışman: Prof. Dr. Bahadır Kürşad KÖRBAHTİ, Mersin Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, Mersin.

Abstract:
ABSTRACT

SYNTHESIS OF BORON-DOPED NAFION MEMBRANES AND INVESTIGATION OF PHENOL REMOVAL EFFICIENCY IN AN H-TYPE ELECTROCHEMICAL CELL

The primary objective of this doctoral thesis is to enable the electrochemical oxidation of phenol in aqueous solutions by utilizing Nafion membranes modified with various boron-based materials in a split, H-type cell equipped with Pt-Ir and BDD (Boron-Doped Diamond) anodes and Fe cathodes. In this study, Nafion membranes without additives and those incorporating 1% and 2% of ulexite (NU-1, NU-2), colemanite (NK-1, NK-2), and Etidot-67 (NE-1, NE-2) were prepared for application in the H-type cell. The characterization of these prepared membranes was carried out using FTIR, RAMAN, XRD, SEM, and EDX analyses.
During the experimental investigations, the influence of Pt-Ir and BDD anode electrodes, applied current density, presence of NaCl electrolyte in the anolyte region, the existence of FeSO4 and Al2(SO4)3 coagulants in the catholyte region, as well as the type of membrane employed in the H-type cell on the removal of phenol in both the anolyte and catholyte regions was thoroughly examined. The optimal conditions were identified as utilizing the NE-1 membrane with Pt-Ir anode, 500 mg/L initial phenol concentration in the 0.5 M H2SO4 + 5 g/L NaCl anolyte solution, and 500 mg/L initial phenol concentration in the 0.5 M H2SO4 + 5 g/L FeSO4 catholyte solution, with an applied current density of 50 mA/cm2. Under these optimum conditions, phenol was entirely removed in the anolyte region within 30 minutes using Pt-Ir anode, whereas the utilization of BDD anode reduced this time to 8 minutes.
Regarding the reaction kinetics results for phenol removal under the optimal experimental conditions, a first-order reaction with a rate constant of 0.0702 min-1 was observed in the anolyte region when Pt-Ir electrode was employed, whereas in the catholyte region, the rate constant was determined to be 0.076 min-1. On the other hand, when BDD electrode was used, the first-order rate constant for the anolyte region was found to be 0.3988 min-1, and in the catholyte region, it was 0.0139 min-1.
When NaCl electrolyte was employed in the anolyte region, intermediate products such as 2-chlorophenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, and 2,4,6-trichlorophenol were detected. Conversely, the use of 0.5 M H2SO4 resulted in the formation of intermediates such as hydroquinone, benzoquinone, and catechol.
This experimental study successfully facilitated the preparation of boron-modified Nafion membranes and achieved the electrochemical oxidation of phenol in both the anolyte and catholyte regions of the H-type cell.

Keywords: Phenol, Oxidation, Nafion, Membrane, H-type cell 

Advisor: Prof. Dr. Bahadır Kürşad KÖRBAHTİ, Mersin Üniversity, Chemical Engineering Department, Mersin.