Mikrodalga destekli impregnasyon yöntemi ile atık biyokütleden sentezlenen aktif karbon kullanılarak boyar madde ve uçucu organik bileşik adsorpsiyonu
Adsorption of dyestuff and volatile organic compound using activated carbon synthesis from waste biomass by microwave-assisted impregnation method
Yazar: HAKAN YILDIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKKİ GÜLŞEN ; PROF. DR. ÖMER ŞAHİN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Atıklar = Wastes ; Biyokütle = Biomass ; Deney tasarımı = Experimental design ; Endüstriyel boyar madde = Industrial dystuff ; Granüler aktif karbon = Granular activated carbon ; Çevre kirleticiler = Environmental pollutants

Özet:
Bu çalışmada atık biyokütle kaynaklarından tütün sapı (TS) ve bamya sapıdan (BS) ZnCl2 ve H3PO4 aktifleştiricileri kullanılarak mikrodalga destekli impregnasyon yöntemi ile aktif karbon sentezlenmiştir. Aktif karbonlar ile metilen mavisi (MM) ve malahit yeşili (MY) boyar maddeleri ile benzen ve ksilen uçucu organik bileşiklerin (UOB) adsorpsiyonu yapılmıştır. Aktif karbon sentezinde; mikrodalgada ortam gazı, mikrodalga süresi, mikrodalga gücü, aktivasyon sıcaklığı, aktivasyon süresi ve impregnasyon oranı etkisi incelenmiştir. Sentezlenen aktif karbonlar BET, FT-IR ve SEM analizleri ile karakterize edilmiştir. ZnCl2 ve H3PO4 aktifleştiricileri ile TS'den sentezlenen aktif karbonlar sırasıyla TSAC1 ve TSAC2 olarak kodlanmış,  yüzey alanları ise sırasıyla 731.799 m2/g, ve 760.855 m2/g olmuştur. BS'den sentezlenen aktif karbonlar BSAC1 ve BSAC2 olarak kodlanmış, yüzey alanları ise sırasıyla 737.676 m2/g ve 759.453 m2/g olmuştur. Ayrıca atık biyokütlelerden geleneksel yöntemle de aktif karbon sentezi gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen aktif karbonlar TSAC3, TSAC4, BSAC3 ve BSAC4 olarak kodlanmıştır. Aktif karbonların yüzey alanları sırasıyla 323.648 m2/g, 547.196 m2/g, 17.766 m2/g ve 8.174 m2/g olarak bulunmuştur. MM adsorpsiyonu için TSAC2 ve BSAC1 kodlu aktif karbonlar kullanılmıştır. MM adsorpsiyonunda pH (2-10) ve çözelti başlangıç konsantrasyonu (50-250 ppm) etkisi incelenmiştir. MY adsorpsiyonunda ise TSAC1 ve BSAC2 kodlu aktif karbonlar kullanılmıştır. MY adsorpsiyonunda sadece çözelti başlangıç konsantrasyonu (50-250 ppm) etkisi incelenmiştir. Benzen ve ksilen adsorpsiyonunda ise TSAC1, TSAC2, BSAC1 ve BSAC2 kodlu aktif karbonlar kullanılmıştır. UOB adsorpsiyonunda temas süresi (10-20 dakika), adsorbent miktarı (25-100 mg) ve gaz giriş konsantrasyonu (10-25 ppm) etkisi incelenmiştir. Tüm adsorpsiyon işleminin denge verileri Langmuir ve Freundlich izotermleri, kinetik verileri ise yalancı birinci derece, yalancı ikinci derece ve partikül içi difüzyon modelleri kullanılarak incelenmiştir. İncelenen denge verilerine göre boyar madde (MM ve MY) ve UOB (benzen ve ksilen) adsorpsiyonu için en uygun Langmuir modelde, kinetik veriler ise yalancı ikinci derece modelde olmuştur. Langumuir model sonuçlarına göre maksimum adsorpsiyon kapasitesi (qmax) MM ve MY için sırasıyla 144.93 mg/g ve 136.98 mg/g olmuştur. Benzen ve ksilen için bulunan maksimum adsorpsiyon kapasitesi (qmax) ise sırasıyla 581.39 mg/g ve 909.09 mg/g olmuştur. Ayrıca MM ve MY adsorpsiyonu deney tasarımı yöntemiyle incelenmiştir. Deney tasarımı için yanıt yüzey model (YYM) içerisinde bulunan merkezi kompozit tasarım (MKT) kullanılmıştır. Deney tasarımında; çözelti başlangıç konsantrasyonu (75-150 ppm), adsorpsiyon süresi (120-240 dakika) ve aktif karbon miktarı (50-100 mg) parametreleri, cevap parametresi olarak da adsorpsiyon kapasitesi (qe) seçilmiştir. Bu çalışmanın bulguları, kullanılan atık biyokütlelerden mikrodalga destekli impregnasyon işlemi sonucu sentezlenen aktif karbonların, boyar madde ve uçucu organik bileşiklerin giderimininde  oldukça etkin olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
In this study, activated carbon was synthesized from waste biomass sources, tobacco stalk (TS) and okra stalk (OS), using ZnCl2 and H3PO4 activators by microwave assisted impregnation method. Adsorption of methylene blue (MB) and malachite green (MG) dyes with activated carbons and benzene and xylene volatile organic compounds (VOC) were performed. In the synthesis of activated carbon; The effects of ambient gas, microwave time, microwave power, activation temperature, activation time and impregnation rate in microwave were investigated. Synthesized activated carbons were characterized by BET, FT-IR and SEM analyses. Activated carbons synthesized from TS with ZnCl2 and H3PO4 activators were coded as TSAC1 and TSAC2, respectively, and their surface areas were 731,799 m2/g and 760,855 m2/g, respectively. Activated carbons synthesized from BS were coded as BSAC1 and BSAC2, and their surface areas were 737,676 m2/g and 759,453 m2/g, respectively. In addition, activated carbon synthesis was carried out from waste biomass with the traditional method. The synthesized activated carbons were coded as TSAC3, TSAC4, BSAC3, and BSAC4. The surface areas of activated carbons were found to be 323,648 m2/g, 547,196 m2/g, 17,766 m2/g and 8.174 m2/g, respectively. TSAC2 and BSAC1 coded activated carbons were used for MB adsorption. The effects of pH (2-10) and initial solution concentration (50-250 ppm) on MB adsorption were investigated. TSAC1 and BSAC2 coded activated carbons were used in MG adsorption. Only the effect of initial solution concentration (50-250 ppm) on MG adsorption was investigated. Activated carbons coded TSAC1, TSAC2, BSAC1 and BSAC2 were used in benzene and xylene adsorption. The effects of contact time (10-20 minutes), adsorbent amount (25-100 mg) and gas inlet concentration (10-25 ppm) on VOC adsorption were investigated. Equilibrium data of the entire adsorption process were analyzed using Langmuir and Freundlich isotherms, and kinetic data were analyzed using pseudo-first-order, pseudo-second-order and intraparticle diffusion models. According to the equilibrium data examined, the most suitable Langmuir model for dyestuff (MB and MG) and VOC (benzene and xylene) adsorption, and the kinetic data were in the pseudo-second order model. According to the Langmuir model results, the maximum adsorption capacity (qmax) was 144.93 mg/g and 136.98 mg/g for MB and MG, respectively. The maximum adsorption capacity (qmax) found for benzene and xylene was 581.39 mg/g and 909.09 mg/g, respectively. In addition, MB and MG adsorption were investigated by experimental design method. For the experimental design, the central composite design (CCD) in the response surface model (RSM) was used. In experiment design; solution initial concentration (75-150 ppm), adsorption time (120-240 minutes) and activated carbon amount (50-100 mg) parameters and adsorption capacity (qe) as response parameter were selected. The findings of this study revealed that activated carbons synthesized as a result of microwave assisted impregnation from waste biomass are very effective in removing dyestuff and volatile organic compounds.