TiO2/montmorillonit nanokompozitinin sentezi ve sulu çözeltilerden ilaç türü kirleticilerin fotokatalitik oksidasyon ve fotokatalitik ozonlama prosesleriyle bozundurulmasına yönelik uygulamalar: Proseslerin modellenmesi ve optimizasyonu
Synthesis of TiO2/montmorillonite nanocomposite and its applications in photocatalytic oxidation and photocatalytic ozonation processes for degradation of pharmaceutical contaminants from aqueous solutions: Modeling and optimization of the processes
Yazar: AYDIN HASSANI
Danışman: PROF. DR. SEMRA KARACA ; PROF. DR. ALİREZA KHATAEE
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada, farklı ileri oksidasyon prosesleri (İOP) kullanılarak su ve atık su arıtımının fiziksel ve kimyasal yönden etraflıca değerlendirilmesi amaçlandı. Çalışmada hidrotermal yöntemle sentezlenen TiO2 nanopartikülleri ve titan dioksit/montmorillonit nanokompoziti (TiO2/MMT) fotokatalizör olarak kullanıldı. Hazırlanan örneklerin fizikokimyasal özelliklerini karakterize etmek için X–ışınları kırınımı (XRD), fourier dönüşümlü infrared spektroskopi (FTIR), taramalı elektron mikroskopu (SEM), Enerji dağılımlı X–ışını spektroskopisi (EDX), geçirimli elektron mikroskobu (TEM), X–ışını floresans (XRF), Brunauer–Emmett–Teller (BET) ve Ultraviyole–görünür dağınık yansıma spektroskopisi (UV–vis DRS) analitik teknikleri kullanıldı. Model bileşikler olarak siprofloksasin (SİP), metronidazol (MET) ve asetaminofen (APAP) seçildi. Bir yarı kesintili fotokatalitik reaktörde fotokatalitik ve fotokatalitik ozonlama prosesleriyle SİP bozunması incelendi. Her iki yöntemin de SİP bozundurulmasında etkili olduğu anlaşılmakla birlikte fotokatalitik ozonlama prosesinin sinerjik faktörden dolayı diğer tekniğe göre daha etkili olduğu gözlendi. Katalizör dozu, SİP başlangıç konsantrasyonu, ozon gazı akış hızı, çözeltinin pH'yı, UV ışığı bölgeleri, katalizörün yeniden kullanılabilirliği ve elektrik enerjisi belirlenmesi gibi ana etkenler çalışıldı. Fotokatalitik ve fotokatalitik ozonlama proseslerinin mekanizması çeşitli reaktif oksijen türlerinin (ROT) varlığında ele alındı. Daha sonra Atatürk Üniversitesi ve Paşapınarı'dan alınan su örnekleri kullanılarak gerçek su matrisinde fotokatalitik ozonlama prosesinin performansı değerlendirildi. Ayrıca, fotokataliz ve fotokatalitik ozonlama işlemlerinde oluşan ilaç bozunma ara ürünleri GC–MS tekniği kullanılarak belirlendi. Sulu çözeltide fotokatalitik ozonlama prosesiyle SİP bozunmasının modellemesi yapay sinir ağları (ANN) yöntemine göre incelendi. Son olarak, MET, SİP ve APAP olmak üzere üç ilacın bir arada iken fotokatalitik ozonlama prosesiyle bozunması çalışıldı. MET bozunması (Y1), SİP bozunması (Y2) ve APAP bozunmasını (Y3) içeren çoklu cevaplar üzerine birkaç faktörün etkisini analiz etmek, modellemek ve optimize etmek için merkezi kompozit tasarımı (CCD) yöntemi kullanıldı. Cevap faktörlerini eş zamanlı olarak maksimum düzeye çıkarmak için faktörlerin geniş çaplı yakınlığına dayalı çoklu cevap optimizasyon prosedürü kullanıldı. Sonuç olarak, İOP'nin ilaç içeren atık suların arıtımı için etkin şekilde kullanılacağı anlaşıldı.

Abstract:
The purpose of this study was to probe the physical–chemical aspects of water and wastewater treatment by employing different so–called advanced oxidation processes (AOPs). In the present study, titanium dioxide (TiO2) nanoparticles and titanium dioxide/montmorillonite (TiO2/MMT) nanocomposite were utilized as a photocatalyst through the hydrothermal method. X–ray diffraction (XRD), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), Energy–dispersive X–ray spectroscopy (EDX), transmission electron microscopy (TEM), X–ray fluorescence (XRF), Brunauer–Emmett–Teller (BET) and ultraviolet–visible diffuse reflectance spectroscopy (UV–vis DRS) techniques were used to characterize the physicochemical properties of the prepared samples. Ciprofloxacin (CIP), Metronidazole (MET) and Acetaminophen (APAP) were employed as the model compounds. In a semi–batch photocatalytic reactor, degradation of CIP from the aqueous solution with photocatalytic and photocatalytic ozonation processes was investigated. All two methods were found to be successful in degrading the CIP. However, it was observed that the photocatalytic ozonation process was much more efficient than the other technique due to a synergetic factor. The main influential factors, such as the catalyst dose, initial concentration of CIP, ozone gas flow rate, pH of the solution, UV light regions, reusability of the catalyst and electrical energy determination, were studied. The mechanism of photocatalytic and photocatalytic ozonation processes was addressed in the presence of various reactive oxygen species (ROS). Then, by using real water samples provided by Atatürk Üniversity and Paşapınarı, the performance of photocatalytic ozonation process was evaluated. Furthermore, the intermediate products of pharmaceuticals generated in the photocatalytic and photocatalytic ozonation processes were identified through the GC–MS technique. Modeling of CIP degradation was investigated in the aqueous solution by photocatalytic and photocatalytic ozonation processes, using the artificial neural network (ANN). Finally, the degradation of a mixture of three pharmaceuticals, namely, MET, CIP and APAP, which were quantified simultaneously during the photocatalytic ozonation process, was investigated. A central composite design (CCD) was employed to analyze, model and optimize the effect of several factors on multiple responses, including MET degradation (Y1), CIP degradation (Y2) and APAP degradation (Y3). A multi–response optimization procedure which was based on a global desirability of the factors was then utilized to simultaneously maximize the response factors. Overall, it was found that AOPs could be a viable method for the treatment of pharmaceuticals containing wastewater.