Spinel oksit tabanlı manyetik heterojen katalizörlerin geliştirilmesi ve mikrodalga destekli biyodizel üretiminde kullanımı: Makine öğrenmesi yaklaşımı
Development of spinel oxide-based magnetic heterogeneous catalysts and their use in microwave-assisted biodiesel production: A machine learning approach
- Tez No: 1023426
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR SÖNMEZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Biyodizel, Heterojen katalizörler, Yakıtlar, Yeşil enerji, Yeşil kimya, Biodiesel, Heterogeneous catalysts, Fuels, Green energy, Green chemistry
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Mersin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, biyodizel üretiminde yüksek aktivite, kolay geri kazanım ve yeniden kullanılabilirlik özelliklerine sahip manyetik heterojen bir katalizör geliştirilmiş ve mikrodalga destekli reaksiyon sistemi altında performansı araştırılmıştır. Biyodizel üretiminde hammadde olarak çevresel açıdan önemli bir atık olan kullanılmış yemeklik yağ ile model yağ asidi olarak oleik asit kullanılmıştır. Çalışmanın temel amacı, biyodizel üretiminde reaksiyon süresini azaltmak, enerji verimliliğini artırmak ve katalizör geri kazanımını kolaylaştırarak sürdürülebilir bir üretim yöntemi geliştirmektir. Bu kapsamda CoFe2O4@MoS2 manyetik katalizör sentezlenmiş ve yapısal, morfolojik ve termal özellikleri çeşitli karakterizasyon teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Katalizörün esterleşme ve transesterifikasyon reaksiyonlarındaki etkinliği mikrodalga destekli sistemde değerlendirilmiş; metanol/yağ mol oranı, katalizör miktarı, reaksiyon süresi ve mikrodalga gücü gibi temel proses parametreleri optimize edilmiştir. Oleik asidin esterleşmesi için optimum reaksiyon koşulları 140 °C sıcaklık, 2 saat reaksiyon süresi, %7,5 (a/a) katalizör miktarı ve 15:1 metanol/oleik asit mol oranı olarak belirlenmiş; bu koşullarda %98,2 oleik asit dönüşümü elde edilmiştir. Atık yemeklik yağın transesterifikasyonu için ise optimum koşullar 150 °C sıcaklık, 1 saat reaksiyon süresi, %5 (a/a) katalizör miktarı ve 30:1 metanol/yağ mol oranı olarak belirlenmiş ve %97,4 biyodizel dönüşümüne ulaşılmıştır. Katalizörün yeniden kullanılabilirlik çalışmaları, CoFe2O4@MoS2 katalizörünün manyetik özelliği sayesinde reaksiyon ortamından kolaylıkla ayrılabildiğini ve yüksek katalitik aktivitesini büyük ölçüde koruduğunu göstermiştir. Esterleşme reaksiyonunda katalizör beş çevrim sonunda başlangıçtaki %98,2 dönüşüm değerinden %89,3 dönüşüme ulaşırken, transesterifikasyon reaksiyonunda dönüşüm %97,4'ten %80,1'e düşmüştür. Yeniden kullanılan katalizörlerin XRD analizleri, katalizör yapısında önemli bir değişim meydana gelmediğini göstermiş ve sentezlenen katalizörün iyi bir yapısal kararlılığa sahip olduğunu ortaya koymuştur. Reaksiyon kinetiği çalışmaları, incelenen deneysel koşullar altında reaksiyonun görünür sözde birinci dereceden kinetik modele uyduğunu göstermiştir. Aktivasyon enerjisi ve diğer termodinamik parametreler Arrhenius ile Eyring–Polanyi eşitlikleri kullanılarak hesaplanmıştır. Sentezlenen metil oleat ve biyodizelin yapısal doğrulaması 1H-NMR, FTIR ve gaz kromatografisi (GC-FID) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen biyodizelin yakıt özellikleri ilgili standartlarla karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Dönüşüm veriminin tahmini amacıyla CatBoost gradyan artırma, Rastgele Orman (Random Forest) ve TabPFN-3 makine öğrenmesi modelleri geliştirilmiş ve eğitim/test ayrımı, leave-one-out, k katlı çapraz doğrulama, iç içe çapraz doğrulama ve torba dışı (out-of-bag) bootstrap yaklaşımları kullanılarak performansları karşılaştırılmıştır. Modeller arasında TabPFN-3, R2 = 0,80, RMSE = 7,91, MAE = 6,03 ve MAPE = %10,38 değerleri ile en yüksek tahmin başarısını göstermiştir. Açıklanabilir yapay zekâ analizleri, reaksiyon süresi ve reaksiyon sıcaklığının dönüşüm üzerinde en etkili parametreler olduğunu ortaya koymuştur. Sonuçlar, manyetik olarak geri kazanılabilen CoFe2O4@MoS2 katalizörünün mikrodalga destekli transesterifikasyon prosesi ile birlikte kullanılmasının ve makine öğrenmesi tabanlı modelleme yaklaşımlarıyla desteklenmesinin, atık bitkisel yağların yüksek verimle biyodizele dönüştürülmesi için etkili ve sürdürülebilir bir yöntem olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this study, a magnetic heterogeneous catalyst with high activity, easy recovery, and reusability characteristics was developed for biodiesel production, and its performance was investigated under a microwave-assisted reaction system. Used cooking oil, an environmentally significant waste, and oleic acid, a model fatty acid, were used as raw materials in biodiesel production. The main objective of the study was to develop a sustainable production method by reducing reaction time, increasing energy efficiency, and facilitating catalyst recovery in biodiesel production. In this context, a CoFe2O4@MoS2 magnetic catalyst was synthesized, and its structural, morphological, and thermal properties were investigated using various characterization techniques. The effectiveness of the catalyst in esterification and transesterification reactions was evaluated in a microwave-assisted system; basic process parameters such as methanol/oil molar ratio, catalyst amount, reaction time, and microwave power were optimized. The optimum reaction conditions for the esterification of oleic acid were determined as 140 °C temperature, 2 h reaction time, 7.5% (w/w) catalyst amount, and a methanol/oleic acid molar ratio of 15:1. Under these conditions, 98.2% oleic acid conversion was achieved. For the transesterification of waste edible oil, the optimum conditions were determined as 150 °C temperature, 1-hour reaction time, 5% (w/w) catalyst amount, and a methanol/oil molar ratio of 30:1, resulting in 97.4% biodiesel conversion. Reusability studies of the catalyst showed that the CoFe2O4@MoS2 catalyst could be easily separated from the reaction medium due to its magnetic properties and largely retained its high catalytic activity. In the esterification reaction, the catalyst reached a conversion rate of 89.3% from the initial 98.2% conversion rate after five cycles, while in the transesterification reaction, the conversion rate decreased from 97.4% to 80.1%. XRD analyses of the reused catalysts showed that no significant change occurred in the catalyst structure and revealed that the synthesized catalyst has good structural stability. Reaction kinetics studies have shown that the reaction under the investigated experimental conditions follows an apparent pseudo-first-order kinetic model. Activation energy and other thermodynamic parameters were calculated using Arrhenius and Eyring–Polanyi equations. Structural validation of the synthesized methyl oleate and biodiesel was performed using 1H-NMR, FTIR, and gas chromatography (GC-FID) analyses. The fuel properties of the obtained biodiesel were evaluated by comparing them with relevant standards. To estimate conversion efficiency, CatBoost gradient boosting, Random Forest, and TabPFN-3 machine learning models were developed, and their performance was compared using training/test separation, leave-one-out, k-fold cross-validation, nested cross-validation, and out-of-bag bootstrap approaches. Among the models, TabPFN-3 showed the highest prediction success with R2 = 0.80, RMSE = 7.91, MAE = 6.03, and MAPE = 10.38%. Explainable artificial intelligence analyses revealed that reaction time and reaction temperature are the most influential parameters on the conversion. The results demonstrate that the use of a magnetically recoverable CoFe2O4@MoS2 catalyst in conjunction with a microwave-assisted transesterification process, supported by machine learning-based modeling approaches, is an effective and sustainable method for converting waste vegetable oils into biodiesel with high yield.
Benzer Tezler
- Production and characterization of al-CoCrFeNi-M (M=Mo, Cu, Mn) high entropy alloys by combustion synthesis method
Al-CoCrFeNi-M (M=Mo, Cu, Mn) yüksek entropili alaşımlarının yanma sentezi yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
FARUK KAYA
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT BORA DERİN
- Spinel yapılı nanokompozit tozların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of spinel structured nanocomposite powders
DUYGU YEŞİLTEPE ÖZÇELİK
Doktora
Türkçe
2026
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- NİCo2O4/rGO tabanlı kompozitlerin hibrit süperkapasitörlerdeki performansının incelenmesi
Investigation of the performance of NİCo2O4/rGO-based composites in hybrid supercapacitors
EROL ŞAHİN
- Elazığ ve Malatya çevresindeki Yüksekova karmaşığı bazik volkanitlerinin petrokimyası, petrolojisi ve yaşı
Petrochemistry, petrology and age of the basic volcanites of the yüksekova complex around Elaziğ and Malatya
MELEK URAL
Doktora
Türkçe
2012
Jeoloji MühendisliğiFırat ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARSLAN
YRD. DOÇ. DR. SEVCAN KÜRÜM
- Erdemir sinterinin özelliklerine harman bileşiminin (özellikle BOF cürufunun) etkisi
The Effects of blend contents on the properties of Erdemir's sinter
ABDULKERİM MUMCU