Fabrication of nano and porous materials & their utilization in the purification of water contaminated with arsenic, copper, and lead
Nano ve gözenekli malzemelerin üretimi ve bunların arsenik, bakır ve kurşun ile kirlenmiş suların temizlenmesinde kullanımı
- Tez No: 389482
- Danışmanlar: PROF. DR. YUDA YÜRÜM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 185
Özet
Suların arsenik ve ağır metaller ile kirletilmesi çevre ve insan sağlığı için giderek büyüyen bir tehlike haline gelmiştir. Adsorpsiyon yöntemi diğer su temizliği teknikleri arasında en etkili, uygulanabilir ve düşük maliyete sahip olandır. Bu tez çalışmasında nano ve gözenekli malzemeler sulardan arsenik, kurşun ve bakır'ın alınması için geliştirilerek; etkin, ucuz ve yüksek kalitede su temizliği sağlayacak sistemin ortaya koyulması amaçlanmıştır. Bu çalışmada ferrik iyonları ile yüklenmiş kırmızı çamur, demir oksit/aktif karbon, titanyum dioksit nano parçacıklar ve titanyum dioksit/aktif karbon nano kompozitlerden oluşan spesifik fonksiyonel nano malzemeler başarılı bir şekilde üretilmiştir. Elde edilen bu malzemeler X-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskopisi, Raman spektrometrisi, FTIR spektrometrisi ve X-ışını foto elektron spektroskopisi kullanılarak ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir.Ferrik iyonları ile yüklenmiş kırmızı çamurun sulardan arsenik alma etkinliği pH, temas süresi ve ilk arsenik konsantrasyon miktarı göz önüne alınarak, As(V) iyonu için pH 7.0'de 11.640 mg/L ve As(III) iyonları için pH 2.0'de 5.254 mg/L olarak bulunmuştur. Ferrik iyonların arsenik alımını iyileştirdiği gözlenmesinin sonucunda yüksek miktarda demir oksit nano parçacıkları ile kaplı aktif karbon mikrodalga yöntemi ile üretilmiştir. Bu malzemelerin maksimum adsorpsiyon kapasiteleri 27.78 mg/g olup 0.75 mg/L adsorban kullanarak 5 dakikalık temas süresi sonunda sudan %99.90 oranında As(V) alınmıştır. Sol-gel yöntemi ile sentezlenen anataz nano parçacıkları ile kurşun, bakır ve arsenik sulardan adsorpsiyon yöntemi ile başarılı bir şekilde alınmıştır. Bulunan korelasyon katsayısı ve ortalama hata oranı değerlerine göre, Pb(II) adsorpsiyonu en iyi Langmuir izotermi ile Cu(II) ve As(III) adsorpsiyonları ise Freundlich izotermi ile açıklanmıştır. Deneysel olarak bulunan maksimum adsopsiyon değerleri kurşun için 31.25 mg/L, bakır için 23.74 mg/L ve arsenik için 16.98 mg/L olarak bulunmuştur. XPS analizleri sonucunda adsorpsiyon prosesinde yüzeydeki oksijen içeren gruplar rol aldığı bulunmuştur. Nano parçacıkların çevreye dağılmasını engellemek için, üretilen titanyum dioksit nano parçacıklarının içerisine aktif karbon eklenmiş olup, bu nano kompozitin arsenik tutma kapasitesi, saf titanyum dioksit nano parçacıkların 2.7 katında arttırdığı görülmüştür. Son olarak titanyum dioksit nano parçacıkların sulardan arsenik tutma kapasiteleri foto katalatik oksidasyon yöntemi kullanarak iyileştirilmiştir. Titanyum dioksit nano parçacıklarını içeren 4 mg/L As(III) solüsyon 120 dakika içerisinde denge durumuna gelmiştir. Maksimum UV-A ışığı yokluğunda As(III) adsorpsiyonu 12.13 mg/g ve As(V) adsorpsiyonu 41.38 mg/g olup, UV-A ışığında 36.55 mg/g As(III) adsorplanmıştır. Genel olarak, anataz nano adsorbanlar kullanılarak içme sularındaki maksimum Pb(II) ve Cu(II) konsantrasyonların altına düşürülebilir. UV-A ışığı ile aydınlatılan titanyum dioksit nano parçacıklar sulardaki maksimum As(III) konsantrasyonunu belirlenen değerlerin altına düşmesinde etkili olmuşlardır. Ayrıca üretilen 10-AC/TiO2 nano kompozit malzemesi yüksek As(III) alımı ile sulardan arsenik alınmasında kullanılan potansiyel bir malzeme olabilir.
Özet (Çeviri)
Water pollution mainly caused by arsenic and heavy metal ions is a growing threat to environment and public health. Adsorption is one of the most efficient methods for the removal of the contaminants due to its high efficiency, easy operation and low cost. This thesis aims to develop nano and porous materials, and then implement these into adsorptions of arsenic, lead, and copper in order to investigate an effective water purification system for communities. In this study, specific functional nanomaterials comprising ferric ion loaded red mud, iron oxide/activated carbon, titanium dioxide nanoparticles, and titanium dioxide/activated carbon nanocomposites have been successfully fabricated. The obtained nanomaterials are characterized by using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and X-ray photoelectron spectrometer.The arsenic removal efficiency of ferric ion loaded red mud considering effect of pH, initial arsenic concentration, and contact time is evaluated and the higher adsorption capacities found 11.640 mg/g for As(V) at pH 7.0 and 5.254 mg/g for As(III) at pH 2.0. The presence of ferric ion in the system increased the uptakes of arsenic species from water; therefore, the following study is focused on utilization of iron oxide nanoparticles deposited uniformly on activated carbon support with high loadings by microwave hydrothermal treatment. Maximum adsorption capacity is 27.78 mg/g for As(V) and for a loading of 0.75 g/L, 99.90% uptake is reached within 5 minutes. On the other hand, the beneficial adsorptive eliminations of Pb(II), Cu(II), and As(III) from water are also demonstrated using anatase nanoadsorbent produced by sol-gel method. The maximum experimental adsorption uptakes were 31.25 mg/g for Pb(II), 23.74 mg/g for Cu(II), and 16.98 mg/g for As(III), respectively. XPS analyses revealed that the surface oxygen-containing functional groups including hydroxyl groups were involved in the adsorption process. In order to prevent release of the nanoparticles to the environment, activated carbon was used as a support material for TiO2 nanoparticles. It was observed that As(III) uptake capacity of the nanocomposite was improved approximately 2.7 times as compare to the bare TiO2 nanoparticles. Finally, the effectiveness of titanium dioxide nanoparticles in removing arsenic species from water was enhanced by the photocatalytic oxidation experiments converting As(III) to As(V). The maximum adsorption capacities were found 12.13 mg/g for As(III) in the absence of UV-A illumination, 41.38 mg/g for As(V), and 36.55 mg/g for As(III) in the presence of UV-A illumination. Overall, anatase nanoadsorbent are able to reduce Pb(II) and Cu(II) concentrations below the MCL requirements for drinking water. The enhanced As(III) removal are observed under UV-A illumination by using TiO2 nanoparticles and they are able to reduce As(III) concentrations below the MCL requirements for drinking water up to moderate initial concentrations. Additionally, 10-AC/TiO2 nanocomposite, having a considerable As(III) uptake capacity, can be also potentially used in arsenic removal.
Benzer Tezler
- Synthesis of graphene aerogel and its applications
Grafen aerojel sentezlenmesi ve uygulamaları
ECEM ÇELİK
- Gümüş nanopartikülleri ile kompozit ince boşluklu fiber membran üretimi, karakterizasyonu ve uygulaması
Nanocomposite hollow fiber membrane fabrication with silver nanoparticle, characterization and application
TÜRKER TÜRKEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Moleküler imprint sol-jel polimer kaplı kuantum noktaların sentezi ve optik sensör uygulaması
Synthesis of quantum dots coated with molecularly imprinted sol-gel polymer for application of optical sensor
TANER ARSLAN
- Ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemi ile nano yapılı kurşun oksit üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of nano structured lead oxide via ultrasonic spray pyrolysis (USP)
BURAK AŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Production and properties of biopolymer based fibers and films
Biyopolimer tabanlı fiber ve filmlerin üretimi ve özellikleri
TUĞÇE KÖROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM