Synthesis of hydrochar from waste corn cobs in subcritical water environment and microwave method and investigation of the effectiveness of synthesized hydrochars in ammonium removal from water
Subkritik su ortamında ve mikrodalga yöntemi ile atık mısır koçanından hidrokömür sentezi ve sentezlenen hidrokömürlerin sulardan amonyum gideriminde etkinliklerinin araştırılması
Yazar: MUHAMMED GHASSAN ALJVANIEH
Danışman: DOÇ. DR. ERDAL YABALAK ; DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAN GEÇGEL
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Son yıllarda endüstriyel genişleme nedeniyle, tarımsal atıklar ve evsel gıda atıkları dünya çapında önemli yönetim ve bertaraf sorunlarına neden olmaktadır. Bu sorunların üstesinden gelmek için, uygun fizikokimyasal özelliklere sahip katı karbonlu malzemeler olan biyokömürler/hidrokömürler toprak düzenleyici, yavaş salınan gübre ve adsorbent gibi artan uygulamaları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Bu anlamda mısır koçanı (MK) gibi büyük miktarlarda üretilen endüstriyel biyolojik atıkların, hidrotermal karbonizasyon gibi uygulanabilir bir teknikle katma değerli hidrokömürlere dönüştürülmesi büyük bir etkiye sahip olabilmektedir. Bu çalışmada, mikrodalga destekli (MHK) ve kritik altı su (SHK) hidrotermal karbonizasyon yöntemleriyle, MK gibi katı bir gıda atığından hidrokömürlerin sentezlenmesi hedeflenmiştir. İki farklı hidrotermal karbonizasyon yöntemi ile sentezlenen hidrokömürlerin sulardan amonyum adsorpsiyon performanslarının araştırılması da amaçlanmıştır. MHK ve SHK yöntemleriyle sentezlenen hidrokömürlerin karakterizasyonu SEM-EDX, FT-IR, zeta potansiyel ve azot adsorpsiyon-desorpsiyon analizleriyle sağlanmıştır.  EDX sonuçlarına göre MHK ve SHK'deki C/O oranları (atomik %) sırasıyla 0,55 ve 0,35 olarak hesaplanmıştır. Azot adsorpsiyon-desorpsiyon izotermlerinden, MHK ve SHK yöntemleriyle üretilen hidrokömürlerin BET yüzey alanları sırasıyla 6,40 m2 g-1 ve 5,20 m2 g-1 olarak belirlenmiştir. Azot adsorpsiyon-desorpsiyon izotermleri ayrıca hidrokömürlerin 3 farklı gözenek tipine (mikro, mezo ve makro) sahip olduğunu göstermiştir. Sıcaklık, pH, başlangıç amonyum derişimi ve adsorbent miktarı gibi farklı çalışma koşullarının amonyum adsorpsiyonuna etkisi cevap yüzey yöntemi (CYY) merkezi kompozit tasarım (MKT) modeli kullanılarak araştırılmıştır. Varyans analizi (ANOVA) sonuçlarından her iki hidrokömür için en etkili değişkenin pH olduğu belirlenmiştir. MHK ve SHK için en yüksek amonyum adsorpsiyonu 35 °C sıcaklık, pH 6,5, başlangıç amonyum derişimi 40 mg g-1, adsorbent derişimi 1,5 g L-1 olan çalışmada sırasıyla 10,37 ve 9,71 mg g-1 olarak belirlenmiştir. Optimum koşullarda farklı başlangıç amonyum, derişimlerinde hidrokömürlere amonyum adsorpsiyon denge verileri Langmuir ve Freundlich izoterm modellerine uygulanmıştır. MHK ve SHK ile elde edilen hidrokömürlere amonyum adsorpsiyonun Langmuir izoterm modele uyduğu ve maksimum adsorspsiyon kapasitelerinin sırasıyla 13,09 ve 10,54 mg g-1 olduğu belirlemiştir.

Abstract:
Due to industrial expansion in recent years, agricultural waste and domestic food waste cause significant management and disposal problems worldwide. To overcome these problems, biochars/hydrochars, which are solid carbonaceous materials with suitable physicochemical properties, are of great interest due to their increasing applications as soil conditioners, slow-release fertilizers and adsorbents. In this sense, the conversion of industrial biological wastes produced in large quantities such as corncob (CC) into value-added hydrochars with an applicable technique such as hydrothermal carbonization can have a great impact. In this study, it was aimed to synthesize hydrochars from solid food waste such as CC by microwave-assisted (MHC) and subcritical water (SHC) hydrothermal carbonization methods. It is also aimed to investigate the ammonium adsorption performances of hydrochars synthesized by two different hydrothermal carbonization methods from water. The characterization of hydrochars synthesized by MHC and SHC methods was provided by SEM-EDX, FT-IR, zeta potential and nitrogen adsorption-desorption analyzes. According to the EDX results, the C/O ratios (atomic %) in MHC and SHC were calculated as 0.55 and 0.35, respectively. BET surface areas of hydrochars produced from nitrogen adsorption-desorption isotherms by MHC and SHC methods were determined as 6.40 m2 g-1 and 5.20 m2 g-1, respectively. Nitrogen adsorption-desorption isotherms also showed that hydrochars have 3 different pore types (micro, meso and macro). The effects of different operating conditions such as temperature, pH, initial ammonium concentration and amount of adsorbent on ammonium adsorption were investigated using the response surface method (RSM) central composite design (CCD) model. From the analysis of variance (ANOVA) results, it was determined that the most effective variable for both hydrochars was pH. The highest ammonium adsorption for MHC and SHC was determined as 10.37 and 9.71 mg g-1, respectively, in the study with 35 °C temperature, pH 6.5, initial ammonium concentration 40 mg g-1, adsorbent amount 1.5 g L-1. Ammonium adsorption equilibrium data on hydrochars at different initial ammonium concentrations under optimum conditions were applied to Langmuir and Freundlich isotherm models. It was determined that the ammonium adsorption to the hydrochars obtained by MHC and SHC conformed to the Langmuir isotherm model and the maximum adsorption capacities were 13.09 and 10.54 mg g-1, respectively.