Şilempeden karbon esaslı malzemelerin hazırlanması ve sudaki bazı organik-inorganik kirleticilerin giderimi için kullanılması
Preparation of carbon based materials from vinasse and their use for the removal of some organic-inorganic pollutants from water
Yazar: ÖMER KAZAK
Danışman: PROF. DR. ALİ TOR
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tez çalışmasında, biyoetanol üretimi sonucu atık olarak ortaya çıkan şilempeyi kullanarak çevre dostu yaklaşımlar ile aktive edilmiş karbonların (aktif karbonlar) hazırlanması, karakterize edilmesi ve kesikli adsorpsiyon tekniği ile sudaki bazı organik-inorganik kirleticilerin [metilen mavisi-Pb(II)] gideriminde kullanılma potansiyelleri araştırılmıştır.     
Şilempe 230 oC'de kurutulduktan sonra, azot atmosferinde belirli sıcaklıklarda (600, 800, 1000 oC) piroliz edilmiştir. Akabinde, piroliz ürünü malzeme iki farklı yöntem [(i)soğuk oksijen plazma tekniği ve (ii) hidrotermal şartlarda H2O2 ile muamele edilmesi)] sayesinde oksitlenerek ürün yapısı oksijence zenginleştirilmiştir. Sonrasında, azot atmosferinde tekrar uygulanan piroliz ile oksijen atomları yapıdan CO veya CO2 şeklinde uzaklaştırılmış ve gözenekli bir karbon malzeme elde edilmiştir. SEM, TGA, Raman spektroskopisi, FT-IR, XPS, BET ve zeta potansiyeli analizleri ile her iki oksidasyonun aktivasyon işleminde etkinliği incelenmiştir. 
1000 oC'deki piroliz ürününün (i) 5 dakika plazma ve (ii) hidrotermal şartlarda 10 mL H2O2 ile oksitlenmiş halinin tekrar pirolizi ile hazırlanan aktif karbonların en büyük yüzey alanına sahip olmaları dolayısıyla (sırasıyla 832 m2/g ve 989 m2/g), sudaki metilen mavisinin gideriminde adsorbent olarak kullanılma potansiyelleri farklı deneysel şartlar altında araştırılmıştır. 800 oC'deki piroliz ürününe 3 dakika plazma ve hidrotermal şartlarda 10 mL H2O2 ile oksitlenmesi sonucu elde edilen karbon esaslı ürünlerin ise Pb(II)'nin giderimi için en uygun adsorbentler olduğu tespit edilmiş ve çeşitli parametrelerin giderime olan etkileri araştırılmıştır.  
Sonuç olarak, şilempenin, aktif karbon elde edilmesinde başlangıç maddesi olarak kullanılabileceği tespit edilmiştir. Kısa sürede gerçekleştirilebilir olması ve maliyet analizi, plazma esaslı aktivasyonun, hidrotermal şartlardaki H2O2 yöntemine alternatif olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Hazırlanan aktif karbonların sudaki organik-inorganik kirleticileri etkili bir şekilde giderdiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Herein, activated carbon was derived from vinasse, a waste arising from the bioethanol production, by using environmentally-friendly approaches. After characterization studies, potential usability of the activated carbons towards both organic and inorganic model pollutants [methylene blue and Pb(II)] in the aqueous solutions was studied. 
Firstly, vinasse was dried at 230 oC. Then, it was pyrolyzed under N2 atmosphere at different temperatures (600, 800 and 1000 oC). The products were oxidized either by using cold oxygen plasma technique or with H2O2 in an autoclave. The final pyrolysis of oxidized carbon materials under N2 atmosphere induces the formation of activated carbon materials. The properties of the products were estimated by using TGA, SEM, Raman spectroscopy, FT-IR, XPS, BET and zeta potential measurements. 
By oxidation of 1000 oC-pyrolysis product with 5 minutes oxygen plasma followed with final pyrolysis at 1000 oC, a surface area of 832 m2/g has been developed. While, by oxidation of 1000 oC-pyrolysis product with 10 mL of H2O2 in autoclave and final pyrolysis at 1000 oC, the spesific surface area is 989 m2/g. The adsorption performance of both materials were evaluated towards methylene blue under several experimental conditions. The most suitable materials for removing Pb (II) from aqueous solution were found to be adsorbents obtained by oxidation of 800 oC-pyrolysis product with oxygen plasma for 3 minutes and 10 mL H2O2 in an autoclave, respectively. 
Consequently, the waste vinasse could be successfully utilized as a starting material for the activated carbon production. Performing the plasma activation in a short time and cost analysis indicated that it could be alternative to activation process performed by H2O2. Finally, it was shown that the obtained activated carbon/carbon-based materials were highly effective for removing both organic and inorganic pollutants from water.