Aktif karbon-nikel oksit nanokompozitin fuzzy mantık sistemi ile sentezlenmesi ve uranyum gideriminin yüzey yanıt yöntemi ile modellenmesi
Synthesis of activated carbon–nickel oxide nanocomposite by fuzzy logic system and modelling with response surface methodology for uranium removal
Yazar: CANSU ENDES YILMAZ
Danışman: PROF. DR. YÜKSEL ALTAŞ ; DOÇ. DR. CEREN KÜTAHYALI ASLANİ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı / Nükleer Bilimler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aktif karbon = Activated carbon ; Bulanık mantık = Fuzzy logic ; Cevap yüzey yöntemi = Response surface methodology ; Nikel oksit = Nickel oxide ; Uranyum = Uranium

Özet:
Birincil enerji kaynaklarının günden güne artan enerji talebi karşısında yetersiz kalması, mevcut kaynakların giderek azalması ve insan sağlığı üzerine olumsuz etkileri nedeni ile nükleer enerji sahip olduğu avantajlar ile dikkat çekmektedir. Nükleer enerji kullanımı ile az yakıttan büyük miktarda enerji elde edilmekte ve gaz salınımlarını önlemesi ile de temiz ve güvenilir enerji kaynağı olarak nitelendirilmektedir. Türkiye, mevcut enerji kaynaklarının artan enerji taleplerini karşılayamaması nedeniyle nükleer enerjiye yönelmiş ve 2018 yılında Mersin Akkuyu'da nükleer güç santrali kurulumuna başlanmıştır. Nükleer enerjinin sahip olduğu üstünlüklerin yanı sıra nükleer yakıt çevriminin kullanılması sonucunda meydana gelen radyoaktif atıkların sahip oldukları uzun yarı ömürleri nedeni ile canlı yaşamından izole edilmesi oldukça önemlidir. Dolayısıyla, nükleer santrale sahip her ülke nükleer atık yönetimi politikasına da sahip olmalıdır. Nükleer atıkların canlı yaşamından izole edilmesinde uygun görülen derin jeolojik depolamada çoklu bariyer sistemleri kullanılmaktadır. Çoklu bariyer sistemlerindeki mühendislik bariyerleri olarak adlandırılan katmanda yüksek sorpsiyon kapasitesi ve radyasyon direncine sahip insan yapımı dolgu malzemelerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, ayrı ayrı iyi adsorban özelliklerine sahip aktif karbon ve nano metal oksitlerinin üstün özelliklerinin bir arada kullanılmasıyla nükleer atık idaresinde etkin olarak değerlendirilebilecek yeni adsorbanlar sentezlenmesi hedeflenmiştir. Elde edilen adsorbanların nükleer atık yönetiminde kullanılabilirliği uranyum adsorpsiyonu incelenerek gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyonu etkileyen parametreler (temas süresi, pH, başlangıç uranyum derişimi ve sıcaklık) deneysel tasarım yöntemi kullanılarak merkezi kompozit tasarımının bir fonksiyonu olarak incelenmiştir.
Aktif karbon yağı alınmış atık kanola posalarından kimyasal aktivasyon yöntemi ile sentezlenmiştir. Optimum sentez parametreleri (karbonizasyon sıcaklığı ve süresi, aktivasyon ajanı türü, aktivasyon ajanı/hammadde oranı) Matlab® arayüzeyinde bulunan Fuzzy bulanık mantık sistemleri kullanılarak belirlenmiştir. Optimum koşullar 800°C karbonizasyon sıcaklığı, 125 dk. karbonizasyon süresi, aktivasyon ajanı türü ZnCl2 ve aktivasyon ajanı/hammadde oranı 4/1 olarak belirlenmiş olup, sentezlenen aktif karbonun BET yüzey alanı 888.78 m2.g-1 olarak bulunmuştur. Nikel oksit sentezi sıcaklık, süre ve katı/sıvı oranı incelenerek hidrotermal yöntem ile gerçekleştirilmiştir. Optimum koşullar 120°C, 16 saat ve 1:6 K/S oranı olarak belirlenmiştir. Optimum koşullarda sentezlenen NiO'in ortalama 15,25 ± 0,7 nm olduğu saptanmıştır. Aktif karbon- nikel oksit nanokompozitinin hidrotermal yöntem ile 1:1, 1:2 ve 2:1 AC:NiO karışım oranları incelenerek gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen kompozitin partikül boyutu ortalama 17,64 ± 1,51 nm olarak belirlenmiş olup, nano boyutta kompozit malzeme başarıyla sentezlenmiştir. Sentezlenen malzemeler FTIR, BET, SEM, XRD ve Raman analizleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Uranyum adsorpsiyonu incelemeleri sonucunda optimum alım kapasiteleri aktif karbon için 169,88 ± 1,89 mg.g-1, nikel oksit için 30,09 ± 8,07 mg.g-1 ve aktif karbon-nikel oksit nanokompoziti için 136,92 ± 4,7 mg.g-1  olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon izotermleri (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) incelenmiş, uranyumun aktif karbon ve aktif karbon-nikel oksit nanokompzotileri üzerine sorpsiyon sistemi için Langmuir izoterminin, nikel oksit üzerine sorpsiyonunda ise Dubinin-Radushkevich izoterminin uygun olduğu belirlenmiştir. Termodinamik özellikler (standart entalpi değişimi, standart entropi değişimi, Gibbs standart serbest enerji değişimi) incelendiğinde proseslerin endotermik yapıda ve aktif karbon-uranyum, aktif karbon-nikel oksit nanokompoziti-uranyum proseslerinin istemli, nikel oksit-uranyum prosesinin ise istemsiz gerçekleştiği bulunmuştur. Uranyumun aktif karbon, nikel oksit ve aktif karbon-nikel oksit nanokompoziti ile adsorpsiyonunun Pseudo ikinci dereceden hız denklemi tarafından oldukça iyi tanımlandığı belirlenmiştir.

Abstract:
Nuclear energy draws attention with its advantages due to the inadequacy of primary energy resources in the face of increasing energy demand, the gradual decrease of existing resources and its negative effects on human health. With the usage of nuclear energy, a large amount of energy is obtained from less fuel and it is characterized as a clean and reliable energy source by preventing gas emissions. Turkey has turned to nuclear energy due to the inability of its current energy resources to meet the increasing energy demands, and the construction of a nuclear power plant in Mersin Akkuyu started in 2018. In addition to the advantages of nuclear energy, it is very important to isolate the radioactive wastes generated as a result of the usage of the nuclear fuel cycle, due to their long half-life. Therefore, every country with a nuclear power plant should also have a nuclear waste management policy. Multiple barrier systems are used in deep geological storage, which is considered suitable for isolating nuclear wastes from living life. Engineering barriers layer in multiple barrier systems needs developing of new adsorbents which have high sorption capacity and radiation resistance. 
In this thesis, it is aimed to synthesize new adsorbents that can be evaluated effectively in nuclear waste management by using the superior properties of activated carbon and nano metal oxides, which have good adsorbent properties individually. The usability of the obtained adsorbents in nuclear waste management was carried out by examining uranium adsorption. The parameters affecting the adsorption (contact time, pH, initial uranium concentration and temperature) were investigated as a function of the central composite design by using the experimental design method.
Activated carbon was synthesized from degreased waste canola sediments by chemical activation method. Optimum synthesis parameters (carbonization temperature and time, activation agent type, activation agent/raw material ratio) were determined using Fuzzy fuzzy logic systems in Matlab® interface. Optimum conditions were determined as 800°C carbonization temperature, 125 min. carbonization time, activation agent type ZnCl2 and activation agent/raw material ratio 4/1, and the BET surface area of the synthesized activated carbon was found to be 888.78 m2.g-1.Nickel oxide synthesis was carried out by hydrothermal method by examining temperature, time and solid/liquid ratio. Optimum conditions were determined as 120°C, 16 hours and 1:6 K/S ratio. It was determined that particle size of NiO synthesized under optimum conditions was 15,25 ± 0,7 nm on average. 1:1, 1:2 and 2:1 AC:NiO mixture ratios of activated carbon-nickel oxide nanocomposites were investigated by hydrothermal method. The particle size of the synthesized composite was determined as 17,64 ± 1,51 nm on average, and it was determined that the nano-sized composite material was synthesized. The synthesized materials were characterized using FTIR, BET, SEM, XRD and Raman analyses. As a result of uranium adsorption studies, optimum uptake capacities were calculated as 169,88 ± 1,89 mg.g-1 for activated carbon, 30,09 ± 8,07 mg.g-1 for nickel oxide and 136,92 ± 4,7 mg.g-1 for activated carbon-nickel oxide composites. Adsorption isotherms (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) were investigated and it was determined that Langmuir isotherm was suitable for activated carbon-uranium and activated carbon-nickel oxide nanocomposites-uranium sorption systems. Dubinin-Radushkevich isotherm was found as suitable for uranium sorption on nickel oxide. When the thermodynamic properties (standard enthalpy change, standard entropy change, Gibbs standard free energy change) were examined, it was found that the processes were endothermic and spontaneous for activated carbon-uranium and activated carbon-nickel oxide nanocomposites-uranium, while non-spontaneous for nickel oxide-uranium sorption process. It was determined that the adsorption of uranium with activated carbon, nickel oxide and activated carbon-nickel oxide nanocomposites is quite well defined by the Psuedo second-order rate equation.