Recovery of transition metals from orthodontic waste and designing composites as negative electrode active materials for lithium ion battery
Ortodontik atıktan geçiş metallerinin geri kazanılması ve kompozitlerin lityum iyon pil için negatif elektrot aktif materyaller olarak tasarlanması
- Tez No: 830013
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BİLLUR DENİZ KARAHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği ve Biyoenformatik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Son yıllarda biyomedikal endüstrisinde gerçekleştirilen, insanın yaşam kalitesini ve ömrünü arttırmaya yönelik yapılan araştırmalar hem bilimsel açıdan hem de tüketici bakış açısıyla heyecan verici bulunmaktadır. Bu noktada ortodonti alanında yapılmış araştırmalar sonucunda tasarlanmış diş telleri sayesinde hem hastanın diş diziliminde yaşanan problemlerin çözümünde hem de çeneler arası ilişkilerin ideal hale getirilmesinde önemli başarılar kazanıldığı bilinmektedir. Ortodontik tedaviler genelde birkaç yıl sürmekte, bu süreçte dişlerin pozisyonlarındaki gelişime bağlı olarak birçok kez tek kullanımlık olan bu teller hastanın ağzında yenilenmekte, eski kullanılmış teller tıbbi atık olarak değerlendirilip, bertarafa gönderilmektedir. Ortodontik tedavide kullanılan bu tellerin özel tasarlanmış NiTi alaşımlarından yapıldığı göz önüne alındığında, ortodontik tedavilerinin yaygınlaşması ile burada kullanılan tellerin geri dönüşümü ve yeniden değerlendirilmesi dikkat çeken bir konu haline gelmiştir. Diğer taraftan metalik elementlerin yer kabuğunda sınırlı miktarda bulunması ve enerji fiyatlarındaki artış, küresel pazarda birincil kalite metallerin üretim maliyetinin sürekli ve katlanarak artmasına neden olmaktadır. Bu durum uzun vadede birincil kalite malzeme kullanarak elektrot malzemesi sentezi yapan lityum iyon batarya endüstrisinin gelişimine engel oluşturabilir. Bu sorunu çözmek için alternatif çözüm geliştirmek üzerine araştırma çalışmaları gerçekleştirilmektedir. Bu çalışma kapsamında literatürde ilk defa lityum iyon pillerde kullanılacak elektrot malzemelerinin üretimi için biyomedikal endüstrisine ait atıkların başlangıç malzemesi olarak kullanılması önerilmiştir. Bu kapsamda ortodontik tedavide kullanılmış atık diş tellerinin farklı parçaları (NiTi teller ve çelik braketler) ayrı ayrı incelenerek özgün deney akış şemalarının tasarlanması suretiyle farklı iki başlık altında değişen özellikte kompozit malzeme üretimi için alternatif yöntemler önerilmiş, bu malzemelerin lityum iyon bataryalarda negatif elektrot malzemesi olarak kullanımları elektrokimyasal test sonuçları dikkate alınarak tartışılmıştır. Tez kapsamında ilk başlıkta önce NiTi teller detaylı karakterize edilmiş sonrasında liç verimi optimize edilmiştir. Kompozit eldesi için iki farklı yaklaşım sergilenmiştir: İlk akış şemasında liç çözeltisinde bulunan Ni ve Ti iyonları beraber çöktürülmüş, ardından 400℃'de 4 saat hava ortamında ısıl işleme alınmıştır. Bu noktada şelatlayıcının kompozit oluşumuna etkisi ayrı olarak incelenmiştir (CS11 ve CSA11). Tasarlanmış diğer yaklaşımda ise pH ayarlama yapılarak önce titanyum oksit ardından nikel oksit içeren tozlar ayrı ayrı üretilmiştir. Sonrasında her iki toz değişen NiO/TiO2 oranlarında öğütme işlemine tabi tutularak kompozit üretimi gerçekleşmiştir (N3T1 ve N6T1). Bu noktada değişen bileşiminin kompozit özelliklerine etkisi detaylı incelenmiştir. Elde edilen tüm tozlar kimyasal, yapısal ve morfolojik olarak karakterize edildikten sonra elektrotlar üretilmiş ve Li'a karşı anot olarak sergiledikleri performanslar elektrokimyasal olarak incelenmiştir. Tezin ikinci başlığında ise diş tellerinde bulunan braketler öncelikle karakterize edilmiş, ardından sülfirik asitle liç verimi optimize edilmiştir. Liç çözeltisinden kompozit toz üretmek için hidrotermal prosesin koşulları ortogonal ve ortogonal olmayan deneysel tasarım yöntemleri kullanılarak, literatürde ifade edilen 150 nm kritik parçacık boyutuna sahip kompozit malzeme eldesi için optimize edilmiştir. Sonuçlar en uygun koşulların liç çözeltisinin pH'ı 10'a ayarlandıktan sonra 12 saat boyunca 150°C'de %100 reaktör doluluğunda malzemenin proses edilmesiyle elde edileceğini göstemiştir. Proses sonucunda, bulanık mantık modeli ile tahmin edilen 156 nm parçacık boyutu değerine yakın ortalama 153,8 nm parçacık boyutuna sahip kompozit toz elde edilmiştir. Bu toz daha sonra 730℃'de 5 saat ısıl işleme alınmıştır. Sonrasında, elde edilen bu toz kimyasal, yapısal ve morfolojik olarak incelenmiş, Li'a karşı anot olarak sergiledikleri performanslar elektrokimyasal olarak karakterize edilmiştir. Bu tezden elde edilen sonuçlar uygun bir malzeme seçimi ve proses tasarımı ile biomedikal atıkların yüksek katma değerli lityum iyon bataryalarda kullanılacak elektrot sentezi için kullanılabilineceğini kanıtlamaktadır. Tez kapsamında yapılmış deneysel çalışmalar sonucunda NiTi tellerden sentezlenen NiO ve TiO2 tozlarının birarada kullanılması ile üretilen N6T1 numaralı kompozit numunesinden elde edilen anodun günümüzde kullanılan grafitten daha yüksek kapasite sergilediği görülmüştür (1. Deşarj 517.9 mAsa g-1, 50.deşarj:363 mAsa g-1). Bu performans NiO'in yüksek kapasite ve TiO2'nin yüksek kapasite korunumu sergilemesi özellikleriyle ilişkilendirilmiştir. İlaveten, ortogonal ve ortogonal olmayan deneysel tasarım yöntemleri kullanılarak 153,8 nm partikül boyutunda kompozit toz eldesi 8 deney ile gerçekleştirilmiştir. Bu tozun anot malzemesi olarak kullanılması ile de günümüzde kullanılan grafitten daha yüksek performans sergileyen bir anot malzemesi sentezi gerçekleştirilmiştir (1. Deşarj 983 mAsa g-1 50.deşarj:408.7 mAsa g-1). Elde edilen performans tozun kritik partikül boyutunun yanı sıra yapısal ve kimyasal özellikleri ile de ilişkilendirilmiştir. Sonuçlar gelecekte çalışmaların geliştirilmesi için ümit vaad edici bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
In recent years, the research carried out in the biomedical industry to increase the quality of life and longevity of people is exciting for both scientists and consumer. At this point, the result of the researches on orthodontics enables significant benefits on the braces design as it solves the problems experienced in the patient's dental alignment and idealizes the relations between the jaws with success. Orthodontic treatments generally last for a few years, during this process, these single-use wires are renewed in the patient's mouth many times depending on the development in the positions of the teeth, and the old used wires are evaluated as medical waste and sent for disposal. Considering that these wires used in orthodontic treatment are made of specially designed NiTi alloys, recycling and re-evaluation of the wires used here has become a remarkable issue with the widespread use of orthodontic treatments. In other respect, the limited availability of metallic elements in the earth's crust and the increase in energy prices cause the cost of primary metals to increase continuously and exponentially in the global market. This situation raises concerns about the acquisition of components to be used in the production of electrode materials of lithium-ion batteries in the long term, and research studies are carried out on developing an alternative solution to solve this problem. Within the scope of this study, it has been proposed for the first time in the literature to use wastes from the biomedical industry as starting material for the production of electrode materials to be used in lithium-ion batteries. In this context, different parts of waste braces (NiTi wires and stainless steel brackets) used in orthodontic treatment were examined separately. Then, by designing original flow charts for each type of waste alternative waste treatment and composite fabrication methods were proposed. Finally, the use of these materials as negative electrode material in lithium-ion batteries was discussed considering their electrochemical test results. Within the scope of the thesis, firstly, NiTi wires were characterized in detail and then the leaching efficiency was optimized. Two different approaches were studied for the composite production: In the first flow chart, Ni and Ti ions found in the leaching solution were chemically precipitated together, then heat treated (400℃ 4h in air). At this point, the effects of chelating agent on composite formation were examined (CS11 and CSA11). In the other approach, powders containing titanium oxide and nickel oxide were produced separately by adjusting the pH of the leachate. Afterwards, both powders were grounded together to produce composites (N3T1 and N6T1). At this point, the effect of the NiO/TiO2 ratio on the composite properties was examined in detail. After all the obtained powders were characterized chemically, structurally, and morphologically, electrodes were produced and their performance as anode against Li was electrochemically investigated. In the second chapter of the thesis, the brackets in the braces were first characterized, then the leaching efficiency with sulfuric acid was optimized. Then, hydrothermal method was used to fabricate composite powder. Herein, the parameters of the hydrothermal method were studied using orthogonal (factorial design) and non- orthogonal (fuzzy logic) experimental design techniques to fabricate composite powder which had close to 150 nm particle size. Experimental results showed that when the leachate was hydrothermally treated at 150℃ for 12 hours , with 100% reactor filling ratio, the obtained powder had 153.8 nm particle size in average which is close to 156 nm the predicted particle size value by fuzzy logic model. This powder was heat treated subsequently at 730℃ for 5 hours. The chemical, structural morphological properties of the powder as well as the electrochemical behavior of the electrode made of this powder were analyzed. This thesis demonstrates that with proper material selection and process design, biomedical waste can be effectively utilized for electrode synthesis. In this thesis five distinctive composites were produced and characterized from NiTi wires. The results show that sample N6T1 performs better capacity (1st discharge: 517.9 mAh g-1 and 50th discharge: 363 mAh g-1) than graphite. This performance is attributed to the high capacity of NiO and the high capacity retention of TiO2. Moreover, successful applications of orthogonal and non- orthogonal experimental designs were realized to fabricate composite of 153.8 nm particle size, only with 8 experiments. Herein, a successful use of the fuzzy logic on material fabrication was also exemplified by using the brackets as the starting material. By using this powder as an anode material, the synthesis of an anode material exhibiting higher performance than graphite was also achieved (1st discharge: 983 mAh g-1 and 50th discharge: 407.8 mAh g-1). The obtained performance is attributed to the critical particle size of the powder as well as its structural and chemical properties. The results are promising for future development of the study.
Benzer Tezler
- Yeni bir sübstitüe vicdiaminoglioksim ve komplekslerinin sentez ve özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and properties of a new substite vic-diaminoglyoxime and complexes
ŞEBNUR MEREY
- Yeni vic-dioksimlerin sentezi ve reaksiyonları
Synthesis and characterisation of three new vic-dioximes and their metal complexes
ZEHRA ALTUNTAŞ BAYIR
- Effect of metal catalyst and tailoring the conditions for cnf/cnt growth through cvd
Karbon nanofiber ve karbon nanotüplerin cvd yöntemiyle seçimli büyütülmesi ve metal katalizörün etkisi
AHU GÜMRAH DUMANLI
Doktora
İngilizce
2008
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUDA YÜRÜM
- Elektrik ark ocağı baca tozundan çinko metalinin hidrometalurjik yöntemlerle kazanılması
Recovery of zinc metal from electric arc furna flue dust using hydrometallurgical methods
ESRA ERDOĞAN NAKİPOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELTEM YILDIZ
- Darbeli elektrik alan tekniği ile arıtma tesisi çamurundan bütünleşik azot ve fosfor geri kazanımı ve anaerobik çürümenin iyileştirilmesi
Integrated nitrogen and phosphorus recovery from treatment plant waste sludge with pulsed electric field technique and anaerobic stabilization improvement
EKİN EKE
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZLEM SELÇUK KUŞÇU