Aktif karbon katkılı nanoliflerin adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the adsorption properties of activated carbon doped nanofibers
Yazar: RAGIPHAN ÖZTURAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GAMZE TETİK
Uşak Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aktif karbon = Activated carbon ; Elektrolif çekim = Electrospinning ; Endüstriyel atık su = Industrial waste water ; Metilen mavisi = Methylene blue ; Nanolif = Nanofiber

Özet:
Pek çok alanda olduğu gibi çevresel uygulamalarda da nanolifler artan bir ilgi görmektedir. Boyutlarından kaynaklanan benzersiz özellikleri sayesinde zaman içinde filtreleme, ayırma, sensör uygulamaları ve adsorpsiyon gibi alanlar için vazgeçilmez ürünlerin tasarlanmasını ve oluşturulmasını sağlarlar. Bu alanların en önemlilerinden biri olan adsorpsiyon, adsorbatların sıvı/gaz ortamında katı bir adsorban üzerine birikmesi olarak tanımlanmaktadır. Adsorban, sıvı/gaz ortamında çözünmüş bileşikleri adsorbe eden katı bir malzemedir. Adsorbanların atıksu arıtımı açısından önemi, adsorbanların kirletici uzaklaştırma etkinliği ile ilgilidir. Performansları yüzey alanına, morfolojiye ve kimyasal yapıya bağlıdır. Bu özellikler nanoliflerde ve aktif karbonda bir araya geldiğinden, bu çalışmada sulu ortamdan metilen mavisi uzaklaştırmak için aktif karbon katkılı nanoliflerden faydalanılmıştır. Bu amaçla önce insan saçından sülfirik asitli kimyasal aktivasyon ve karbonizasyon işlemleri ile aktif karbon üretimi gerçekleştirilmiştir. Aktif karbon karakterize edilmiş ve mikrogözenekli yapıya sahip, 561 m2/g BET yüzey alanı olan, %6,5 kül miktarı içeren aktif karbon elde edilmiştir. Sentezlenen bu aktif karbon ipek fibroini elektrolif çekim çözeltisi içerisine %1, %5 ve %10 oranlarında eklenmiştir. %10 aktif karbon katkısı ile lif çekimi yapılamamış olup, %1 ve %5 aktif karbon katkılı çözeltiler ile düzgün nanolifler üretilebilmiştir. Nanolif çapları ve yüzey alanları sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri üzerinden ve BET yüzey alan ölçüm cihazı ile belirlenmiştir. Aktif karbon içermeyen, %1 ve %5 oranında aktif karbon içeren nanoliflerin ortalama çapları sırasıyla 263±68 nm, 276± 69 nm ve 283±75 nm olarak hesaplanmıştır. BET yüzey alanları aynı sıra ile 35,43 m2/g, 42,38 m2/g ve 43,58 m2/g olarak bulunmuştur. Verilere göre nanolifli yüzeylerin adsorpsiyon işlemi için iyi özelliklere sahip oldukları bulunmuştur. İki farklı pH (pH 5 ve pH 12), iki farklı sıcaklık (30 ve 50 ℃), üç farklı süre (2, 6, 10 dk) ve üç farklı adsorban miktarı (5, 10, 15 mg) değiştirilerek gerçekleştirilen batch adsorpsiyon testinde ultrasonik banyo desteğinden faydalanılmıştır. Test sonuçlarına göre, nanolifli yüzeylerden en iyi performansı %5 oranında aktif karbon içeren nanolif sergilemektedir. Değişen parametrelere göre %23,7 ile %88,9 oranında metilen mavisi uzaklaştırma kabiliyetine sahip olan bu nanolifli yüzey en yüksek metilen mavisi uzaklaştırma oranına 15 mg adsorban, pH 12 ve 50 ℃ sıcaklıkta 10 dk süren işlem ile ulaşıldığı gözlenmiştir. Elde edilen tüm sonuçlara göre, sentezlenen aktif karbon katkılı nanolifli yüzeyler tekstil atık sularından metilen mavisi uzaklaştırma potansiyeline sahiptir.

Abstract:
As in many fields, nanofibers are attracting increasing attention in environmental applications. Since they have unique features due to their size, they enable the design and creation of indispensable products for areas such as filtration, separation, sensor applications and adsorption. Adsorption is defined as the accumulation of adsorbates on a solid adsorbent in a liquid/gas medium. Adsorbent is a solid material that adsorbs dissolved compounds in liquid/gas medium. The importance of adsorbents in wastewater treatment is related to the pollutant removal efficiency of adsorbents. Their performance depends on surface area, morphology and chemical structure. Since these properties combine in nanofibers and activated carbon, activated carbon doped nanofibers were used to remove methylene blue from the aqueous medium in this study. For this purpose, firstly, activated carbon was produced from human hair by chemical activation with sulfuric acid and carbonization processes. Activated carbon was characterized and activated carbon with microporous structure, 561 m2/g BET surface area and 6.5% ash content was obtained. This synthesized activated carbon was added to the silk fibroin electrospinning solution at the ratios of 1%, 5% and 10%. Electrospinning was impossible with 10% activated carbon doped solution and smooth nanofibers were produced with 1% and 5% activated carbon doped solutions. Nanofiber diameters and surface areas were determined by scanning electron microscope (SEM) images and BET surface area measuring device, respectively. The mean diameters of nanofibers without activated carbon, 1% and 5% activated carbon doped nanofibres were calculated as 263±68 nm, 276±69 nm and 283±75 nm, respectively. BET surface areas were found to be 35.43 m2/g, 42.38 m2/g and 43.58 m2/g, respectively. According to the data, it was found that nanofibrous surfaces have good properties for adsorption process. The batch adsorption test performed at two different pH (pH 5 and pH 12), two different temperatures (30 and 50 ℃), three different process times (2, 6, 10 min) and three different adsorbent amounts (5, 10, 15 mg). Ultrasonic bath support was used. According to the test results, 5% activated carbon doped nanofiber exhibited the best performance among nanofiber surfaces. It has been observed that the highest methylene blue removal rate of this nanofibrous surface, which has the ability to remove methylene blue at a ratio of 23.7% to 88.9% according to the changing parameters, is achieved with 15 mg adsorbent, pH 12, and a duration of 10 minutes at 50 ℃. According to all the results obtained, the synthesized activated carbon doped nanofiber surfaces have the potential to remove methylene blue from textile wastewater.