Medicine removal from wastewater by using photocatalysis method
Fotokatalitik yöntemle atıksulardan ilaç giderimi
- Tez No: 841505
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NALAN ERDÖL AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Su kirliliği çok önemli hale gelen küresel bir sorundur. Su kirliliğinin aşılması ve su kaynaklarının temiz tutulması temel bir ihtiyaç haline gelmiştir. Bu nedenle atık sulardan kirleticilerin uzaklaştırılmasına yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Günümüzde gerek sanayii faaliyetleri sonucu gerekse evsel su atıklarında büyük tonajlarda organik kirlilikler üretilmektedir. Bu durum da özellikle sanayii bölgeleri çevresinde ciddi derecede su kirliliği sorunlarına yol açmaktadır. Bu kirleticiler arasında birincil ve ikinci atık su giderim metotlarıyla ayrıştırılamayan ilaç kalıntılarından ortaya çıkan kirlilik türü en büyük hacimlerden birini kaplamaktadır. Bu kirleticilerin giderilebilmesi için ileri atık su arıtma tekniklerine ihtiyaç vardır. Özellikle atık suda antibiyotiklerin aktif maddelerinin bulunması deniz canlılarının ölümüne ve bunun yanında bakterilerin artık antibiyotiklere karşı direnç kazanmasına neden olmaktadır. Bunun sonucunda da kullanılan antibiyotikler işlevsiz hale gelmektedir. Tetrasiklin dünyada en çok kullanılan ikinci antibiyotiktir. Kullanımının bu kadar fazla olması atık su kaynaklarında da miktarının çok olması sonucunu doğurmuştur. Hem canlılara olan toksik etkinin azaltılması hem de bakterilerin direnç geni oluşturmasını engellemek için atık sulardan tetrasiklinin ileri arıtma teknikleri ile giderilmesi gerekmektedir. Organik kirleticileri degrade etmek için en iyi yöntemlerden biri fotokatalizör kullanılarak yapılan fotokataliz işlemidir. Bu işleme fotodegradasyon denir ve genellikle atık sudaki zararlı kirleticileri uzaklaştırmak için kullanılan bir yöntemdir. Fotokataliz işleminin gerçekleşebilmesi için fotokatalizör seçimi büyük önem taşımaktadır. Fotokatalizör seçimi, fotokataliz işleminin verimliliğini etkileyen en önemli etmendir. Bu sebeple bu amaca uygun fotokatalizörlerin sentezi büyük önem taşımaktadır. Son zamanlarda atık sulardan farklı maddelerin uzaklaştırılmasında grafen oksit (GO) ve hidroksiapatit (HAp) kullanılan birçok çalışma mevcuttur. GO'nun farklı malzemelerle kolayca karışabilmesi, eklendiği malzemenin bant aralığını azaltması ve iletkenliğe etki etmesi sayesinde atık sulardan kirleticilerin uzaklaştırılmasında farklı şekillerde kullanılabilmektedir. Kompozit olarak kullanımı da yaygındır. HAp ise yüksek spesifik yüzey alanı ve stabilitesi nedeniyle çevresel iyileştirme için tercih edilen ideal bir malzemedir. Özellikle son yıllarda HAp'ın tek başına veya diğer fotokatalitik materyallerle kombinasyon halinde kullanımına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Fakat şu an için HAp tek başına kullanıldığında bant aralığı geniş olduğu için görünür ışık bölgesinde etkin faaliyet gösterememektedir. HAp'nin bant aralığını azaltmak, termal, mekanik, elektriksel iletkenlik özelliklerini iyileştirmek için HAp kullanılarak yeni bir kompozit malzeme sentezleme ihtiyacı doğmuştur. Bu amaçla bu çalışmada önce grafen oksit ve hidroksipatitin birlikte kompozit olarak kullanılıp kullanılamayacağı araştırılmıştır. Bunun için önce laboratuvarda grafenden potasyum permanaganat ve sülfürik asit kullanılarak Hummers metodu yoluyla grafen oksit sentezlenmiştir. Sonrasında sentezlenen grafen oksit laboratuvarda hidroksiapatit ile kompozit yapılarak bir fotokatalizör sentezlenmiştir. Bu kompozitteki grafen oksit oranı %8'dir. Daha sonra sentezlenen grafen oksit-hidroksiapatit kom- pozitinin doğru şekilde sentezlenip sentezlenmediğinin anlaşılması için karakterizas- yon çalışmaları (FTIR, TGA, SEM ve Zeta potansiyeli analizleri) yapılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda fotokatalizörün başarılı bir şekilde sentezlendiği anlaşılmıştır. Çalışmanın amacı, sentezlenen GO-HAp kompozitinin tetrasiklinin atık sudan fotodegradasyon yoluyla uzaklaştırılması sürecinde katalizör olarak kullanımını araştırmak ve GO-HAp kompoziti ile tetrasiklinin giderim işlemi için seçilen parametrelerin optimum koşulları belirlemektir. Bu amaç doğrultusunda en önemli parametreleri belirlemek için birçok ön deney yapılmıştır. Ön deneyler sonrasında parametreler, pH, tetrasiklin başlangıç konsantrasyonu ve fotokatalizör (grafen oksit-hidroksiapatit kompoziti) miktarı) olarak belirlenmiştir. Yine ön deneyler sonrasında pH parametresi asidik, nötral ve bazik ortam olarak 3 farklı şekilde (3, 7, 11); tetrasiklin başlangıç konsantrasyonu 3 farklı konsantrasyonda (10 ppm, 30 ppm, 50 ppm); fotakatalizör miktarı 3 farklı miktarda (5 mg, 15 mg, 25 mg) belirlenmiştir. Bu parametreler ve belirlenen deneysel faktörlerle deneyler yapılarak grafen oksit-hidroksiapatit fotokatalizörü ile tetrasiklin giderimi yönteminin optimum koşulları belirlenmeye çalışılmıştır. Deney sayısını azaltmak ve iyi bir optimizasyon çalışması gerçekleştirmek amacıyla Minitab programı kullanılmıştır. Bunun için pH, başlangıç tetrasiklin konsantrasyonu ve kullanılan katalizör miktarı parametreleri seçilerek ve Minitab programına girilerek deneysel tasarım yöntemlerinden biri olan“Box-Behnken”tasarımına göre deneyler planlanmış ve yürütülmüştür. Bu çalışmaya benzer çalışmalarda hep Box-Behnken metodunun kullanıldığı görülmüştür. Bunun sebebi, Box-Behnken yönteminin pratik bir şekilde deney sayısını azaltması, doğru sonuçlar vermesi ve efektif tablo ve grafikler ortaya çıkarmasıdır. Bu tasarıma göre seçilen parametrelerin proses üzerindeki etkileri de ortaya çıkarılmaktadır. Deneylerde, tasarımda belirlenen başlangıç konsantrasyonu ve pH değerinde hazırlanan tetrasiklin çözeltisinden alınmış ve içerisine tasarımda belirlenen miktarda katalizör eklenmiştir. Deneyler, adsorpsiyon dengesine ulaşmak için ilk yarım saat boyunca karanlıkta ve ardından görünür ışıkta sürekli karıştırılarak gerçekleştirilmiştir. Belirli aralıklarla ortamdan numune alınarak tetrasiklin konsantrasyonu UV-spektrofotometre ile her saat başı takip edilmiş ve elde edilen adsorbans verileri sonucunda tetrasiklinin giderim yüzdesi hesaplanmıştır. Elde edilen giderim yüzdesi sonuçları Minitab programı kullanılarak“Box-Behnken”yöntemi, tablo ve grafikler ile değerlendirilmiştir. Box-Behnken tasarımı (BBD) ve Merkezi Bileşik Tasarımın (CCD) her ikisi de düzlem merkezli tasarımın yöntemidir. Box-Behnken Tasarımı (BBD), optimizasyon araştırmalarında çok sevilen bir istatistiksel deneysel tasarım yöntemidir. BBD yanıt yüzeyi yaklaşımı, deneysel verilere ikinci dereceden bir polinom denklemi uydurarak belirli bir süreç için en uygun koşulları bulmak için kullanılabilir. Tetrasiklin fotokatalizini geliştirmek için BBD'nin kullanılmasının, toplam deneme sayısında azalma da dahil olmak üzere çeşitli faydaları vardır. BBD, fotokataliz işlemi için ideal koşulları daha iyi seçmek için gereken test sayısını azaltarak zamandan ve paradan tasarruf edebilir. Fotokataliz sürecini etkileyen temel faktörleri belirlemek ve optimum fotokataliz verimliliği için en verimli koşullara karar vermek amacıyla BBD yaklaşımı kullanılarak önemli parametreler saptanmıştır. BBD makul sayıda deney sayısı verdiği için, kolay ve etkili yazılım işletimine sahip olduğu için, optimizasyon sonuçlarının mükemmel doğruluğu ve güvenilirliğine sahip olduğu için ve simülasyon eğitimi için önemli miktarda veri gerektirmediği için tercih edilmiştir. Bununla birlikte, farklı deneysel veriler kullanılarak çizdirilen grafikler sonucunda reaksiyon kinetiği belirlenmiştir. Bunun yanında, reaksiyon kinetiği çalışmaları yapılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda modelin birinci derece kinetik modeline uygun olduğu görülmüştür. Çıkan sonuçların hem Minitab sonuçları ile hem de deney sonuçları ile tutarlı olduğu görülmüştür. Çalışma sonucunda giderime en çok etki eden parametrenin fotokatalizör miktarı olduğu belirlenmiştir. Gerekli karakterizasyon çalışmaları yapılarak grafen oksit, hidroksiapatit ve kompozitin kimyasal yapıları, mikroskobik görüntüleri ve elektriksel iletkenlikleri kayıt altına alınmıştır. Deney tasarımında fotokataliz ve adsorpsiyon işleminin pH'ın 11 olduğu, tetrasiklinin başlangıç konsantrasyonunun yaklaşık 30 ppm ve 45 ppm olduğu ve fotokataliz miktarının da yaklaşık 15 mg olduğu durumlarda en verimli şekilde gerçekleştiği görülmüştür. Sonuçlar Zeta potansiyel analizi ile doğrulanmıştır. Ayrıca tetrasiklinin başlangıç konsantrasyonu düşük olduğunda fotokatalizörün aktif bölgelerinin ilaç partiküllerini bulmakta zorlandığı için fotokatalitik verimliliğin düşük olduğu; çok yüksek olduğu durumda ise bazı partiküllerin bozunmadan kaldığı sonucuna varılmıştır. Bunun yanında, GO-HAp fotokatalizörünün düşük olduğu durumlarda aktif bölge sayısında azalma olduğu için fotokataliz işleminin gerçekleşmediği; çok fazla olduğu durumlarda ise fazla fotokatalizör varlığının çökelme ve inhibisyona neden olduğu gözlenmiştir. Oluşan çökelmeler çözelti içine ışık geçirgenliğini etkileyeceği için ve yine tetrasiklinin fotokatalizörün aktif bölgelerini bulmayı zorlaştıracağı için fotokatalitik verimliliği azalttığı sonucuna varılmıştır. Bunun için bu iki parametrede en iyi verim orta değerlerde elde edilmiştir. Sonuçlar aynı zamanda fotokatalitik bozunma kinetiği ile de tutarlıdır. Fotodegradasyon kinetiği sonuçları incelendiğinde, Minitab sonuçları ve kinetik çalışmaların ikisi de tetrasiklin başlangıç konsantrasyonu arttığında fotokatalitik verimin ve hız sabitinin de arttığını göstermektedir. Bunun yanında, GO-HAp miktarının çok fazla olmasının fotodegradasyon verimliliğini ters yönde etkileyebileceği, GO-HAp'ın çok az arttırılmasının ise aktif bölgelerin artması sayesinde verimliliği artırabileceğini göstermektedir. Bu nedenle fotokataliz ile tetrasiklin giderimi için optimum koşullar yüksek tetrasiklin konsantrasyonu (40-45 ppm), orta düzeyde GO-HAp miktarı (20 mg) ve temel koşullardır (pH>11). Sonuç olarak, çeşitli deneyler yapıldıktan ve optimizasyon çalışmaları yapılarak en iyi koşullara karar verildikten sonra, GO-HAp'ın tetrasiklinin atık sulardan yüksek verimlilikle uzaklaştırılmasında kullanılabilecek uygun bir fotokatalizör olduğu söylenebilir. Deneyler sonucunda GO-HAp kompozitinin atıksulardan tetrasiklinin fotodegradasyon yoluyla uzaklaştırılması için uygun bir katalizör olduğuna karar verilmiş ve optimum koşullar belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Water pollution is a global problem that has become very important. Overcoming water pollution and keeping water resources clean has become a basic need. For this reason, studies on the removal of pollutants from wastewater have gained momentum. Photodegradation is a method used to remove harmful pollutants from wastewater. The synthesis of photocatalysts suitable for this purpose is of great importance. There are studies where Graphene Oxide (GO)-Hydroxyapatite (HAp) (GO-HAp composite) is used in the removal of different materials from wastewater. Due to the fact that GO is easily miscible with different materials, reduces the band gap of the material to which it is added, and has an effect on conductivity, it can be used in different ways to remove pollutants from wastewater. It is widely used in the preparation of composites with other materials. HAp is an ideal material preferred for environmental improvement due to its high specific surface area and stability. Especially in recent years, studies have been carried out on the use of HAp alone or in combination with other photocatalytic materials. In this study, GO-HAp composite was synthesized and its use as a catalyst in the process of removing tetracycline from wastewater by photodegradation was investigated. The aim of this study is to determine the optimum conditions for the removal process of tetracycline. For this purpose, the parameters of pH, initial drug concentration and amount of catalyst used were selected and experiments were planned and carried out according to the“Box-Behnken”design, which is one of the experimental design methods. According to this design, the effects of the selected parameters on the process are also revealed. In the experiments, 50 mL of the drug solution prepared at the initial concentration and pH determined in the design was taken and then the amount of catalyst determined in the design was added into it. Experiments were carried out under continuous stirring for the first half hour in the dark to reach the adsorption equilibrium, followed by visible light. The concentration of tetracycline was followed for 3 hours by UV-spectrophotometer by taking samples from the environment at certain intervals and the percentage of removal for tetracycline was calculated. Removal percentage results obtained were evaluated with“Box-Behnken”using Minitab program. As a result of the experiments, it was decided that the GO-HAp composite was a suitable catalyst for the removal of tetracycline from wastewater by photodegradation and optimum conditions were determined.
Benzer Tezler
- Organik yükü yüksek olan antibiyotik üretimi atıksuyunun anaerobik arıtımı ve kinetik modellenmesi
Anaerobic treatment of high strength antibiotic production wastewater and kinetic modeling of treatment
İLDA DEĞİRMENTAŞ
- Hastane atıksularının toz aktif karbon ilavesiyle membran biyoreaktörde arıtımı
Treatment of hospital wastewater in membrane bioreactor by powdered activated carbon addition
İNCİ KARAKAŞ
Doktora
Türkçe
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLSÜM YILMAZ
- Portakal posasından (Citrus sinensis L.) kimyasal aktivasyon ile aktif karbon üretiminde proses parametrelerinin etkisinin incelenmesi
Investigation by the effects of process parameters on the production of activated carbon by chemical activation from orange pulp (Citrus sinensis L.)
GÜLDEN DEMİR ÖZYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gıda MühendisliğiSakarya ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK ANGIN
- Trakya dolomiti ile atık sulardan kobalt giderilmesi için radyoaktif izleme tekniğinin kullanılması
The use of radiotracer technique for the removal of cobalt from wastewater with thracian dolomite
OĞUZHAN SAÇKIRAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE NUR ESEN
- Antibiyotik atıkların adsorpsiyon/ biyosorpsiyon yöntemiyle giderimi
Removal of antibiotic wastes by adsorption/ biosorption methods
ÖZLEM TUNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU