Investigation of graphene growth on different natural substrates from aromatic plastic wastes and its systematic life cycle assessment
Aromatik plastik atıklardan farklı doğal substratlar üzerinde grafen büyümesinin araştırılması ve sistematik yaşam döngüsü değerlendirmesi
- Tez No: 761680
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Plastik kirliliği, yaygın çevre sorunlarından biri olarak ortaya çıkmakta ve bir dizi depolama sorununa ve plastiklerin çevrede birikmesine ve GHS emisyonlarının artmasına neden olmaktadır. Özellikle polietilen tereftalat (PET) ve polistiren (PS) gibi aromatik plastiklerin geri dönüştürülmesi karmaşıktır ve polisiklik aromatik hidrokarbonların ve üniteler arası C–O ve/veya C–C bağlantılarının varlığından dolayı proses tasarımına ve koşullarına son derece duyarlıdır. Burada aromatik plastiklerden yüksek katma değerli ürünler elde etmek için ileri dönüşüm süreci çok önemli hale geliyor ve atıklardaki karbon kaynağının karbon nanomalzemelere dönüştürülmesi, geleneksel geri dönüşüm yöntemlerine göre belirgin avantajlar sağlıyor. Bu tez, sürdürülebilir, uygun maliyetli ve çevre dostu bir ileri dönüşüm tekniği uygulayarak atık PS ve PET kaynaklarından talk ve organik olarak modifiye edilmiş montmorillonit (OMMT) gibi farklı doğal substratlar üzerinde grafen yapıları büyütmeyi amaçlamaktadır. Bu umut verici yöntem, atık PS ve PET'ten 2D veya 3D grafen yapılarının oluşumunu teşvik etmektir ve substrat tipini ve boyutunu, substratın yüzey bileşimini ve polimerdeki aromatiklik derecesini uyarlayarak boyut kontrollü grafen büyümesi sağlar. Ek olarak, çift vidalı ekstrüzyon ve termokinetik karıştırma gibi polimer işleme tekniklerinin, kristallik derecesi analiz edilerek grafen ile yetiştirilen hibrit katkı maddelerinin geliştirilmesi üzerindeki etkisi araştırıldı. Geliştirilmiş termal tabanlı ileri dönüşüm teknolojisi ile ilgili olarak, 10 μm'ye kadar D50 partikül boyutuna sahip talk substratı iki boyutlu (2D) grafen levhaların büyümesini desteklerken, 2 μm'den daha küçük boyutlu talk, üç boyutlu (3D) üretimine yardımcı oldu. PS kaynağını kullanarak grafen küreleri. Özellikle demir katalizörü ile muamele edilen talk, substrat üzerinde karbon birikimini tetikledi ve grafen katmanlarının sayısını artırdı. PS polimerinin bozunmasını arttırmak ve substrat tipinin grafen büyüme mekanizması üzerindeki etkisini göstermek için talk yerine substrat olarak kullanılan OMMT kullanıldı. PS atığı varlığında herhangi bir katalizör kullanmadan OMMT yüzeyinde levha benzeri grafen elde etmek mümkün olmuştur. Atık PS'ye ek olarak, demirle işlenmiş mikron boyutlu talk yüzeyinde grafen büyütmek için bir karbon kaynağı olarak PET kullanıldı ve PET'in polimer bozunması PS'den daha karmaşık olduğundan PS, PET polimerden daha iyi performans gösterdi. Termal geri dönüşümden önce, kesme hızının dolgu maddesinin pul pul dökülmesi üzerinde doğrudan bir etkisi olduğu gözlemlendi. Yapısal karakterizasyon sonuçları, yüksek kesme oranlı karıştırıcının talkın kristal düzlemlerinde değişikliğe yol açtığını, oysa geleneksel çift vidalı ekstrüzyonun talkın yapısal özelliklerini koruduğunu gösterdi. Ayrıca, talk ve OMMT substratlarında büyütülen grafenlerin CO2 ayak izini geleneksel tekniklerle üretilen grafene kıyasla değerlendirmek için sistematik bir yaşam döngüsü değerlendirmesi yapıldı. Doğrudan karbonizasyon ve hatta PS veya PET kaynağı ile katalizör emdirilmiş doğal substrat bazlı grafen büyüme süreci ile elde edilen ileri dönüşümlü grafen yapıları, grafitin kimyasal pul pul dökülmesiyle üretilen grafene kıyasla nispeten daha düşük CO2 emisyonuna sahiptir. Sonuç olarak, bu yeni geliştirilen ve geri dönüştürülmüş hibrit katkı maddeleri, polimer harmanlama işleminde katı alt tabaka ile grafen boyutunu korumak ve dairesel bir ekonomi modelini benimseyerek grafenin yapısal bütünlüğünü korumak için faydalı bilgiler sunuyor.
Özet (Çeviri)
Plastic pollution has emerged as one of the widespread environmental issues and causes a series landfilling problem and the accumulation of the plastics in the environment and an increase in the GHS emissions. Especially recycling aromatic plastics, such as polyethylene terephthalate (PET) and polystyrene (PS), is complex and strongly sensitive to the process design and conditions due to the presence of polycyclic aromatic hydrocarbons and interunit C–O and/or C–C linkages. Herein, upcycling process becomes crucial to attain high value-added products from aromatic plastics and the conversion of carbon source in wastes into carbon nanomaterials provides prominent advantages over conventional recycling methods. This thesis aims to grow graphene structures on different natural substrates such as talc and organically modified montmorillonite (OMMT) from waste PS and PET sources by applying a sustainable, affordable, and environment-friendly upcycling technique. This promising method is to promote the formation of 2D or 3D graphene structures from waste PS and PET and provides dimension-controlled graphene growth by tailoring the substrate type and size, surface composition of substrate and the degree of aromaticity in polymer. In addition, the effect of polymer processing techniques, such as twin-screw extrusion and thermokinetic mixing, was investigated on the development of graphene grown hybrid additives by analyzing degree of crystallinity. Regarding the developed thermal based upcycling technology, talc substrate with a D50 particle size up to 10 μm promoted the growth of two-dimensional (2D) graphene sheets while talc with a size less than 2 μm assisted the production of three-dimensional (3D) graphene spheres by using PS source. Especially talc treated by iron catalyst triggered carbon accumulation on substrate and increased the number of graphene layers. Instead of talc, OMMT used as a substrate was used to enhance the degradation of PS polymer and indicate the effect of substrate type on graphene growing mechanism. It was possible to attain sheet like graphene on OMMT surface without using any catalyst in the presence of PS waste. In addition to waste PS, PET was used as a carbon source to grow graphene on the surface of iron treated micron sized talc and PS showed better performance than PET polymer since the polymer degredation of PET was more complex than PS. Prior to thermal upcycling, it was observed that the shear rate had a direct effect on the exfoliation of filler. The structural characterization results showed that high shear rate mixer led to the change in crystalline planes of talc whereas conventional twin screw extrusion preserved the structural properties of talc. Furthermore, a systematic life cycle assessment was conducted to evaluate the CO2 footprint of upcycled graphenes grown on talc and OMMT substrates compared to graphene produced by conventional techniques. Upcycled graphene structures obtained by direct carbonization and even catalyst impregnated natural substrate-based graphene growth process with PS or PET source have comparably lower CO2 emission than graphene produced by chemical exfoliation of graphite. To conclude, these newly developed and upcycled hybrid additives offers beneficial insights to preserve graphene dimension by rigid substrate in polymer blending process and keeping the structural integrity of graphene by adopting a circular economy model.
Benzer Tezler
- Topolojik yalıtkanların ve topolojik süperiletkenlerin manyetik özelliklerinin taramalı uç mikroskopları (TUM) teknikleri ile araştırılması
Investigation of magnetic properties of topological insulators and topological superconductors with integrated probe microscope (SPM) techniques
KÜBRA ÇELİK
Doktora
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ÖZGÜR ÖZER
PROF. DR. AHMET ORAL
- LiP-CVD growth of multi-shape monolayer WS2: Determination and investigation of defect domains
Çok şekilli tek katmanlı WS2' ün LiP-CVD ile büyütülmesi: Kusur alanlarının belirlenmesi ve incelenmesi
HASRET AĞIRCAN
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- 5-fluorourasil için polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzeme üretimi ve kinetik çalışmaları
Production and kinetic studies of polymer/bioceramic and graphene oxide containing drug carrier materials for 5-fluorouracil
EBRU KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI
- Grafen/GelMA/PCL sinir konduit benzeri yapılarda elektriksel stimülasyon altında temel hücre etkileşiminin incelenmesi
Investigation of basic cell interaction under electrical stimulation in Grafen/GelMA/PCL nerve conduit-like structures
BERKAY KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyolojiHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM VARGEL
- Kimyasal,termal ve mikrodalga destekli indirgenmiş grafen oksit katkılı tio2 içeren nanokompozit malzemelerin sentez karakterizasyonu ve fotokatalitik aktivitelerin incelenmesi
Synthesis, characterization and investigation of photocatalytic activities of chemical, thermal and microwave assisted reduced graphene oxide doped tio2 containing nanocomposite materials
MARWAH ALI IBRAHIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİT ÇAVUŞOĞLU
DOÇ. DR. TEOMAN ÖZTÜRK