Geri Dön

Acid catalysed synthesis of mesoporous silica and its applications as adsorbents, catalyst support and micromotors

Mezogözenekli silikanın asit katalizli sentezi ve adsorban, katalizör desteği ve mikromotor olarak uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 705379
  2. Yazar: KUBİLAY ŞAHİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ADEM LEVEND DEMİREL, DR. ANNAMARIA MIKO
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Chemical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 157

Özet

Mikron boyutlu mezogözenekli silika parçacıklar, yüksek spesifik yüzey alanı, gözenek boyutu, yüksek termal/kimyasal stabiliteleri nedeniyle adsorpsiyon, ayırma, kataliz ve ilaç taşınımı gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmıştır. Ancak, sentez yönteminde gerekli olan farklı kimyasallara ve ek adımlara ihtiyaç duyulması nedeniyle mezogözenekli silika parçacıklarının özelliklerini kontrol etmek zordur. Bu tez çalışmasında, Pluronic F127 yüzey aktif madde ile tetra etil ortosilikatın (TEOS) oda sıcaklığında yüksek asidik çözelti içinde karıştırılmasıyla gerçekleştirilen sol-jel sentez yönteminin proses parametreleri kontrol edilerek mezogözenekli silika parçacıklarının özellikleri araştırılmış ve ayarlanmıştır. Mezogözenekli silika morfolojilerinin üçlü faz diyagramı, sentez solüsyonlarındaki üç reaktantın bileşimlerinin ayarlanmasıyla belirlendi. Üçlü faz diyagramı, basit ve düşük maliyetli bir sentez yöntemiyle elde edilebilecek tüm olası morfolojilerin araştırılması için önemli bir gelişmeydi. Yaklaşık 150 örneğin sentez ve karakterizasyon çalışmaları sonucunda farklı morfolojilere (küresel, monolit ve çokyüzlü) ve değişken yüzey alanlarına sahip bölgeler belirlenmiştir. Ortalama parçacık boyutları yaklaşık 1.00 µm ile 5.00 µm arasında değişen ve gözenek boyutları 3 nm ile 15 nm arasında değişen mezogözenekli silika küresel parçacıklar başarıyla sentezlendi. Ayrıca, MSP'lerin spesifik yüzey alanını (1000 m2/g'ye kadar) ve gözenek boyutunu (15 nm 'ye kadar) iyileştirmek için hidrotermal arıtma işlemi kullanıldı. Hidrotermal işlem ile küresel silika parçacıklarının yüzey alanı 1,76 faktörüne kadar arttırılmıştır. Sentezlenen mezogözenekli silika yapılar tekstil boyalarından atık suyun arıtılmasında, fotokataliz ve kendinden tahrikli mikromotor uygulamalarında kullanılmış ve performansları incelenmiştir. Üçlü faz diyagramının incelenmesinde kullanılan hidroklorik asit (HCl) yerine farklı asitler (nitrik asit (HNO3) ve sülfürik asit (H2SO4)) kullanılmasının parçacıklardaki morfoloji ve gözenek yapılarına etkisi başarılı bir şekilde tespit edilmiştir. Parçacıkların gözenek boyutu, MSP'lerin morfolojisini değiştirmeden sülfürik asit kullanılarak 3 nm'den 14 nm'ye çıkarıldı. Farklı asitlerle sentezlenen mezogözenekli silika parçacıklarının atık su arıtma performansı model molekül olarak Rhodamine 6G ile test edilmiş ve performansları karşılaştırılmıştır. Yaklaşık 20 mg/g'lık maksimum adsorpsiyon kapasitesine, sülfürik asit ile sentezlenen silika parçacıkları ile ulaşıldı. Parçacıkların boya moleküllerini sudan uzaklaştırma kapasitesi, proses parametreleri (pH, sıcaklık, zaman ve başlangıç konsantrasyonları) değiştirilerek araştırıldı. Adsorpsiyon prosesleri, lineerleştirilmiş Langmuir ve Freundlich izotermleri ile analiz edildi ve boya moleküllerinin parçacıklara yapışma mekanizması, boyanın başlangıç konsantrasyonunun değiştirilmesiyle belirlendi. Ayrıca temas süresi değiştirilerek adsorpsiyon işlemlerinin yalancı birinci dereceden ve yalancı ikinci dereceden kinetik modellere uygunluğu da araştırılmıştır. Ayrıca adsorpsiyonun gerçekleştiği sıcaklığın bir fonksiyonu olarak elde edilen deneysel sonuçlar ile adsorpsiyon proseslerinin termodinamik parametrelerindeki (ΔG°, ΔH° ve ΔS°) değişimler hesaplanmıştır. Sonuçlar, basit ve uygun maliyetli bir işlemle sentezlenen mezogözenekli silika parçacıklarının atık su arıtma uygulamalarında adsorban ihtiyacını karşılayabileceğini göstermiştir. Kataliz malzemesi olarak kullanılan metal (demir ve bakır) yüklü gözenekli silika parçacıklarının sentezi başarıyla tamamlanmıştır. Metal yüklü parçacıkların katalitik aktivitesi, model kirletici olarak seçilen Metilen Mavisi (MB) tekstil boyasının bozunmasıyla araştırıldı. Fenton ve foto-Fenton reaksiyonları ile gözlemlenen bozunma verimliliği, parçacıklardaki metallerin tipine ve yükleme miktarına bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Demir yüklü mezogözenekli silika parçacıklarının 100 mg/L konsantrasyonundaki MB solüsyonunu UV ışığı altında 20 dakikada %99 oranında temizlediği gözlendi. Deneysel sonuçlar, basit bir sentez yöntemiyle üretilen katalizör parçacıklarının ileri oksidasyon işlemlerinde kullanılmasının yüksek verim sağlayacağını göstermiştir. Kendinden hareket eden mezogözenekli silika parçacıklar, yapıya CaCO3 yüklenerek başarılı bir şekilde sentezlenmiştir. Yükleme işlemi, CaCl2 ve NaCO3 ile CaCO3 yapısının oluşum reaksiyonu ile gerçekleştirilmiş ve EDX ve SEM analizleri ile ispatlanmıştır. CaCO3 yükleme işleminin optimizasyonu tamamlanmış ve en yüksek yükleme verimi için gerekli sentez parametreleri belirlenmiştir. Yüklenen mezogözenekli silika parçacıklarının asidik sulu çözelti (asetik asit) içinde kabarcık tahriki ile hareket etme yeteneği optik mikroskop altında gözlemlendi. Ayrıca farklı partikül boyutuna, yüzey alanına ve gözenek boyutuna sahip silika parçacıklarının hızları karşılaştırılmıştır. Daha küçük gözenek çaplarına sahip benzer boyuttaki parçacıkların daha hızlı hareket ettiği gözlemlenmiştir. Ayrıca gözenek boyutunun da partikül boyutu ve yüzey alanı kadar etkili olduğu anlaşılmıştır. En yüksek hız yaklaşık 1,5 µm çapında ve 789 m2/g yüzey alanına sahip parçacıklarda 1,6 µm/s olarak gözlenmiştir. Kendinden tahrikli mezogözenekli silika parçacıkları, Janus parçacıklarına dönüştürülme ve biyolojik uygulamalarda mikromotorlar olarak kullanılma potansiyeline sahiptir.

Özet (Çeviri)

Micron-sized mesoporous silica particles have been used in various applications such as adsorption, separation, catalysis, and drug delivery due to their high specific surface area, pore size, high thermal/chemical stability. However, controlling the properties of mesoporous silica particles is difficult because of the need for different chemicals and additional steps required in the synthesis method. In this thesis , the properties of mesoporous silica particles have been investigated and tuned by controlling the process parameters of sol-gel synthesis method carried out by mixing Pluronic F127 surfactant and tetra ethyl orthosilicate (TEOS) in highly acidic solution at room temperature. Ternary phase diagram of mesoporous silica morphologies was determined by adjusting the compositions of three reactants in the synthesis solutions. The ternary phase diagram was an important development for the investigation of all possible morphologies that can be obtained with a simple and low-cost synthesis method. After analysis of over 150 silica samples, regions with different morphologies (sphere, monolith and polyhedron) and variable surface areas were determined. Mesoporous spherical silica particles (MSPs) with average particle sizes ranging from approximately 1.00 µm to 5.00 µm and pore sizes from 3 nm up to 15 nm were successfully synthesized. Furthermore, hydrothermal treatment process was used to improve the specific surface area (up to 1000 m2/g) and pore size (up to 15 nm) of MSPs. With hydrothermal treatment, the surface area of MSPs was increased by up to a factor of 1.76. The synthesized mesoporous silica structures were used in the purification of wastewater from textile dyes, photocatalysis and self-propelled micromotor applications and their performances were studied. The changes in the morphology and pore structures of the particles were successfully identified by using different acids (nitric acid (HNO3) and sulfuric acid (H2SO4)) compared to the hydrochloric acid (HCl) in the investigation of ternary phase diagram. Pore size of the particles was increased from 3 nm to 14 nm by using sulfuric acid without changing the morphology of MSPs. Wastewater treatment performance of mesoporous silica particles synthesized with different acids was tested with Rhodamine 6G as a model molecule and the performances were compared. The maximum absorption capacity of about 20 mg/g was reached by silica particles synthesized with sulfuric acid. The capacity of the particles for removal of dye molecules from water was investigated by changing the process parameters (pH, temperature, time and initial concentrations). Adsorption processes were analyzed with linearized Langmuir and Freundlich isotherms, to estimate the mechanism of adhesion of dye molecules to particles. In addition, the suitability of the adsorption processes to the pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models was also investigated by varying the contact time. In addition, the changes in thermodynamic parameters (ΔG°, ΔH°, and ΔS°) of the adsorption processes were calculated with the experimental results obtained as a function of temperature at which adsorption took place. The results showed that mesoporous silica particles synthesized with a simple and cost-effective process can satisfy the requirements for adsorbents in wastewater treatment applications. The synthesis of metal (iron and copper) loaded porous silica particles as catalysis material has been successfully completed. The catalytic activity of the metal loaded particles was investigated by degradation of Methylene Blue (MB) textile dye selected as the model pollutant. The degradation efficiency observed by Fenton and photo-Fenton reactions was compared depending on the type of metals in the particles and the amount of loading. It was also observed that the iron-loaded mesoporous silica particles cleaned the MB solution at 100 mg/L concentration by 99% in 20 minutes under UV light. The experimental results showed that the use of catalyst particles produced by a simple synthesis method in advanced oxidation processes will provide high efficiency. Self-propelled mesoporous silica particles have been successfully synthesized by CaCO3 loading into the structure. The loading process was carried out by the formation reaction of the CaCO3 structure by the reaction of CaCl2 and NaCO3 and proved by EDX and SEM analyses. Optimization of the CaCO3 loading process has been completed and the synthesis parameters required for the highest loading yield have been determined. The ability of the loaded mesoporous silica particles to move in acidic aqueous solution (acetic acid) by bubble propulsion was observed under optical microscope. In addition, the velocities of silica particles with different particle size, surface area and pore size were compared. It has been observed that similar size particles having smaller pore diameters move faster. Moreover, it has been understood that pore size is as effective as particle size and surface area. The highest velocity was observed as 1.6 μm/s in particles with a diameter of about 1.5 μm and a surface area of 789 m2/g. Self-propelled mesoporous silica particles have the potential to be converted to Janus particles and used in biological applications as micromotors.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    574380

    Mikro ve mezo gözenekli malzemelere salisilik asit ve steroid yüklenmesi ve salımı

    Salicylic acid and steroid loading and release for micro and mesoporous materials

    İBRAHİM AVNİ ALEV

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET SİRKECİOĞLU

  2. Tez No

    665302

    Hydrogen production via steam reforming of glycerol

    Gliserolün buharlı reformlanması ile hidrojen üretimi

    SEVİL GÖKTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAİME ASLI SEZGİ

    PROF. DR. TİMUR DOĞU

  3. Tez No

    839024

    Synthesis of fau and cha zeolites from class c fly ash

    C sınıfı uçucu külden fau ve cha zeolitlerinin sentezi

    SELİN CANSU GÖLBOYLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURCU AKATA KURÇ

  4. Tez No

    828555

    Role of Silica in the self-assembly of salt-surfactant mesophases and synthesis of Mesoporous metal oxides

    Tuz-yüzey aktif arafazlarının kendiliğinden oluşumunda Silika'nın rolü ve mezogözenekli metal oksitlerin sentezi

    NAJEEB ULLAH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. ÖMER DAĞ

  5. Tez No

    255288

    Nanocomposite nafion and heteropolyacid incorporated mesoporous catalysts for dimethyl ether synthesis from methanol

    Metanolden dimetil eter sentezi için nanokompozit yapıda mezogözenekli nafyon ve heteropoliasit içeren katalizörler

    AYŞEGÜL ÇİFTÇİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. NAİME A. SEZGİ

    PROF. DR. TİMUR DOĞU

Geri Dön