Adsorption of ship-borne oil pollution using composite materials
Gemi kökenli petrol kirliliğinin kompozit malzemelerle giderilmesi
- Tez No: 847045
- Danışmanlar: PROF. DR. DİDEM SALOĞLU DERTLİ, DOÇ. DR. AHMET ALPER AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Çevre Mühendisliği, Chemical Engineering, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Acil Durum ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Afet Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Deniz taşımacılığının düşük maliyeti nedeniyle, petrol genellikle deniz yoluyla taşınmakta ve bu durum petrol taşımacılığı süreci boyunca meydana gelebilecek olası petrol sızıntısı riski nedeniyle çeşitli sağlık, güvenlik ve çevresel tehditleri beraberinde getirmektedir. Petrol denizlere birçok yolla girmesine rağmen, petrol tankerleri ve genel nakliye gemileri suya dökülen tüm petrolün ciddi bir yüzdesini oluşturmaktadır. İstanbul ve Çanakkale Boğazları, Hint Okyanusu ile Pasifik Okyanusu arasındaki Malakka Boğazı'ndan sonra, çoğunlukla enerji taşımacılığından kaynaklanan en işlek ve en tehlikeli deniz yolları arasında yer almaktadır. İstanbul Boğazı'nın jeofiziksel yapısının yarattığı riskler göz önünde bulundurulduğunda, boğazlardaki petrol sızıntısının ekosistemimize en az zarar vermesini sağlamak ve su kalitesini korumak için sentetik adsorbanlar kullanarak petrol sızıntılarını arıtmak ve kontrol altında tutmak amacıyla etkili bir arıtma ve müdahale yöntemi geliştirme ihtiyacı kaçınılmazdır. Sunulan tez çalışmasının ilk bölümünde İstanbul Boğazı'nda gemi kaynaklı petrol kirliliği tehlikelerinin boyutları ve nedenleri incelenmiştir. Tezin ikinci bölümü sentezlenen Arap zamkı, maltodekstrin ve aerojel kompozit malzemesinin eldesinden oluşmuştur. Sentezlenen kompozit malzemelerin yapısal, termal, morfolojik ve yüzey-kesit özelliklerini belirlemek için FTIR, TGA, DSC, XRD, SEM, ve BET analizleri yapılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, sentezlenen malzemeler ile gemi kökenli petrol adsorpsiyon ile giderimi incelenmiş, farklı adsorpsiyon izotermi ve kinetik parametreleri belirlenmiştir. Sunulan tez, sentezlenen malzemelerin ve potansiyel uygulamalarının kapsamlı analizi olarak dört ayrı aşamaya ayrılmıştır. Her aşama, sentezlenen malzemelerin ve potansiyel uygulamalarının derinlemesine anlaşılmasına katkıda bulunmaya odaklanmıştır. İlk aşamayı oluşturan hazırlık ve sentez sürecinde aerojel, maltodekstrin ve arap zamkının farklı yüzdelerde karıştırılarak üç farklı numune sentezlenmiştir. İkinci aşamada, sentezlenen malzemelerin pratik adsorpsiyon uygulamaları incelenmiştir. 1 saat, 3 saat, 5 saat, 8 saat ve 24 saatlik beş farklı zaman aralığında adsorpsiyon çalışmaları üç tekrarlı olarak gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen malzemelerin deniz suyundan petrol adsorpsiyonu etkinliği üzerine zamanın etkisi ve adsorpsiyon kapasiteleri belirlenmiştir. Üçüncü aşamada, sentezlenen kompozit malzemelerin kapsamlı bir karakterizasyonu yapılmıştır. Yapısal, termal, morfolojik ve yüzey-kesit özelliklerini belirlemek için FTIR, TGA, DSC, XRD, SEM ve BET analizleri de dahil olmak üzere çeşitli analitik teknikler kullanılmıştır. Bu karakterizasyon testleri, sentezlenen malzemelerin fiziksel ve kimyasal yapısını anlamayı sağlamıştır. Dördüncü aşama, Langmuir, Freundlich, Temkin ve Dubinin-Radushkevich modellerini kullanarak sentezlenen malzemelerin adsorpsiyon davranışını saptamak amacıyla adsorpsiyon izoterm modellerini içermektedir. Ayrıca, yalancı birinci mertebe, yalancı ikinci mertebe, Elovich ve Weber Morris adsorpsiyon kinetik modelleri kullanılarak adsorpsiyon kinetiği de bu aşamada incelenmiştir. Bu çok yönlü yaklaşımlar, işlevsel olarak deniz suyundan petrol adsorpsiyon mekanizmalarını anlamayı sağlamıştır. Saf aerojel karakterizasyon sonuçları incelendiğinde, bir dizi önemli yapısal özellik ortaya çıkmıştır. Yapılan FT-IR analizi, Si-O-Si bağlarının simetrik gerilme titreşimlerini ve serbest Si-OH gruplarının gerilme titreşimlerini açıkça göstermiştir. Sentezlenen saf aerojel, 800 °C'ye kadar termal kararlılık göstermiştir. 100 ile 150 µm ve 0,5 ile 10 µm arasında değişen açık ve küçük gözeneklere sahip olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar saf aerojelin başarılı bir şekilde sentezlendiğinin kanıtı olarak ifade edilebilir. Saf arap zamkının FT-IR ile karakterizasyonunda, glukozid halkasını temsil eden belirgin absorpsiyon bantları ve çeşitli gerilme ve eğilme titreşimlerini temsil eden absorpsiyon bantları gözlenmiştir. Benzer şekilde, saf maltodekstrinin FT-IR ile karakterizasyonu, O-H gerilme titreşimleri ve lipid C-H gerilme titreşimleri ile uyumlu pikleri göstermiştir. Sunulan tez çalışmasında maltodekstrin, arap zamkı ve aerojelin farklı oranlarda birleştirilmesi ile sentezlenen S1, S2 ve S3 numuneleri tekil olarak sahip olunan karakteristik pikleri üzerinde taşıdığından, sentezlerin başarılı şekilde yapıldığına kanıt olarak kabul edilmiştir. Termal gravimetrik analiz, S1, S2 ve S3 örneklerinin bozulma aşamalarına dair önemli veriler sağlamıştır. Sentezlenen tüm numunelerde 200 °C ile 380 °C arasında kütlesel kayıplar olduğu ve 500 °C'de tüm numuneler için yaklaşık %80'lik bir kütle kaybının olduğu açıkça görülmüştür. Diferansiyel termogravimetrik eğrileri, örnekler arasındaki bozulma hızlarındaki çeşitliliği vurgulamış ve S1'in en düşük ve S3'ün ise en yüksek bozulma hızları sergilemiştir. X-ışını kırınımı sonuçları, SiO2'nin amorf matrisini temsil eden bir desen göstermiştir. Ham aerojelin sentezlenen malzemeler içindeki oranının düşük olması nedeniyle, Si-O kristalin piki S1, S2 ve S3 numunelerinin XRD desenlerinde gözlenmemiştir. Taramalı elektron mikroskobu sonuçları, aerojel ve arap zamkının maltodekstrine başarılı bir şekilde entegre edildiğini göstermiş, yüksek büyütme görüntülerinin aerojellerin numunelerin yüzeyinde nokta benzeri bir görünüm ile izlenmesi başarılı bir sentezin kanıtı olarak ortaya konmuştur. BET analizi, saf aerojel, S1, S2 ve S3 örneklerinin yüzey alanlarını aydınlatarak aerojel > S3 > S2 > S1 sıralamasını öne çıkarmıştır. Yüzey alanlarındaki belirlenen bu hiyerarşi, S2 ve S3'ün daha büyük yüzey alanlarını ve büyük bağlama boşlukları/siteleri nedeniyle petrol adsorpsiyonunda önemli bir verim artışına katkıda bulunabileceğini açığa çıkarmıştır. Adsorpsiyon çalışmaları kapsamında S1-0.25, S1-0.5 ve S1-1.0 numuneleri için belirli zamanlardaki adsorpsiyon yüzdeleri incelenmiştir. S1-0.25'in 3 saat boyunca artan bir adsorpsiyon yüzdesine sahip olduğu, S1-0.5 ve S1-1.0'ın ise 24 saat boyunca yüksek adsorpsiyon yüzdelerine ulaştığı ve 5 ve 24 saat civarında ise belirgin artışlar gösterdiği saptanmıştır. Adsorpsiyon izoterm çalışmaları, sentezlenen malzemelerin adsorpsiyon davranışına dair önemli fikirler ortaya koymuştur. RL ayrılma faktörleri, petrol giderimi için Langmuir izoterm modelinin uygulanabilirliğinin Freundlich modeline göre daha düşük olduğunu göstermiştir. S1-0.25, S1-0.5, S1-1.0, S2-0.25, S2-0.5, S2-1.0, S3-0.25, S3-0.5 ve S3-1.0 için RL ayırma faktörleri sırasıyla 0,2857, 0,1667, 0,0909, 0,4384, 0,2807, 0,1633, 0,3933, 0,2448 ve 0,1395 olarak saptanmıştır. Tüm numuneler için RL ayırma faktörleri 0 < RL < 1 aralığında olduğundan, Langmuir izoterm modelinin sentezlenen numunelerin tamamı için uygun olduğu belirlenmiştir. Ancak, R2 değerlerine göre korelasyon katsayıları dikkate alındığında, Langmuir izoterm modelinin sadece S1 için uyum sağladığı söylenebilir. S1, S2 ve S3 için hesaplanan karakteristik 1/n heterojenlik faktörleri, Freundlich izoterm modelinin her üç numune için de uygunluğu göstermiştir. Freundlich izoterm modelinin uygunluğunu adsorpsiyon kapasiteleri ve R2 korelasyon katsayılarının yüksekliği belirlemiştir. S1, S2 ve S3 için 1/n heterojenlik faktörleri sırasıyla 0,2983, 0,8383 ve 0,602 olarak hesaplanmıştır. Heterojenlik faktörünün her üç numune için de 0 ile 1 arasında olduğu göz önüne alındığında, Freundlich izoterm modelinin sentezlenen malzemelerle petrol adsorpsiyonunu açıklamak için uygun olduğu anlamına gelmektedir. KF değerleri S1, S2 ve S3 için sırasıyla 2,4519 g/g, 38,282 g/g ve 16, 2032 g/g ve R2 korelasyon katsayıları 0,9995, 0,8368, 0,9188 olarak bulunmuştur. Korelasyon katsayılarının 0,83-0,99 arasında değişmesi, Freundlich izoterm modelinin Langmuir izoterm modeline göre adsorpsiyon mekanizmasını daha iyi açıkladığını göstermiştir. Temkin izoterm modelinin S1, S2 ve S3 numunelerine uygulanması, bu modelin Freundlich izoterm modeline göre daha düşük korelasyon katsayıları ile daha az uyumlu olduğunu göstermiştir. Temkin modelinin özellikle S2 numunesi için en az uygun olduğunu vurgulamıştır. Sunulan tez çalışmasında yalancı birinci dereceden, yalancı ikinci dereceden, Elovich ve Weber Morris modellerini kullanarak yapılan adsorpsiyon kinetiği çalışmaları, yalancı birinci dereceden kinetik modeli için 0,81 ila 0,99 arasında değişen yüksek R2 korelasyon katsayılarını göstermiştir. Ancak deneysel ve modelsel adsorpsiyon denge kapasiteleri arasındaki önemli farklar, bu modelin adsorpsiyon hızını ve parametrelerini açıklamada yetersiz olduğunu göstermiştir. Sentezlenen S1, S2 ve S3 numuneleri için yalancı ikinci mertebeden kinetik modelin uygun olduğu yüksek R2 değerleri ile saptanmıştır. Elovich modelinin düşük korelasyon katsayıları ile ilişkilendirilmesi, kemisorpsiyonunun ana adsorpsiyon mekanizması olmadığını göstermiştir. Weber-Morris iç tanecik difüzyonu, sentezlenen poröz adsorbanlardaki adsorbat moleküllerinin gözeneklere difüzyonunu tanımlayan bir kinetik model olup, S3 için farklı kütle transfer mekanizmalarını ifade eden iki ayrı lineer aşama ile gösterilmiştir. Sunulan tez çalışmasında İstanbul Boğazı'nda gemi kaynaklı petrol kirliliği tehlikelerinin adsorpsiyon yöntemi ile giderimi aerojel, maltodekstrin ve arap zamkı ile sentezlenen numuneler kullanılarak başarılı şekilde gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen malzemelerin yapısal, termal, morfolojik ve adsorptif özelliklerine dair yapılan detaylı deneysel çalışmalar, İstanbul Boğazı'ndan alınan ve petrol sızıntısı içeren su numunelerinden petrol adsorpsiyon potansiyeli için umut verici özellikler olduğunu ortaya koymuştur. Sentezlenen aerojel, maltodekstrin ve arap zamkı kombinasyonu numuneler ile etkili bir petrol adsorpsiyonu yapılmış ve çalışmanın ilgili aşamalarında gerçekleştirilen kapsamlı karakterizasyon ve analiz çalışmaları ile sağlanan temel adsorpsiyon mekanizmalarının detayları belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Due to the low cost of maritime shipping, petroleum is often transported by sea which withholds various health, safety, and environmental concerns due to the potential risk of oil spills that might occur throughout the transportation process and although oil enters the seas in many ways, oil tankers and general shipping vessels account for a serious percentage of the total oil spilled in water. The Istanbul and Canakkale Straits are among the busiest and the most dangerous maritime routes, mostly caused by energy transportation, after the Strait of Malacca between the Indian Ocean and the Pacific Ocean. Considering the risks occurred by the geophysical structure of the Bosphorus, it is inevitable to develop an effective treatment and response method to treat and control oil spills using synthetic adsorbents in order to minimize the damage to our ecosystem and protect water quality. The first part of the present thesis has included examining the dimension of ship-borne oil pollution hazards and their causes in the Istanbul Strait. The second part of the thesis consists of the synthesized gum arabic- maltodextrin and aerogel composite material. In order to determine the structural, thermal, morphological, and surface-cross-sectional properties of these synthesized composite materials, FTIR, TGA, DSC, XRD, SEM, and BET analyses was performed. In the third part of the thesis, the adsorption of ship-borned oil using the synthesized materials was investigated and different adsorption isotherms and kinetic parameters were determined.
Benzer Tezler
- Uluslararası hukukta iklim değişikliğinin denizler üzerindeki etkileri
The effects of climate change on the seas in international law
UĞUR KAYNAKÇIOĞLU
- Laurent Jean François Truguet ve Usûlü'l Ma‛ârif Fî Vech-i Tasfîf -i Sefâyin-i Donanma ve Fenn-i Tedbîr-i Harekâtiha adlı eserinin transkripsiyonu ve incelenmesi
Laurent Jean François Truguet transcription and analysis of Usûlü'l Ma‛ârif Fî Vech-i Tasfîf -i Sefâyin-i Donanma ve Fenn-i Tedbîr-i Harekâtiha
PELİN BAKKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilim ve Teknoloji Tarihi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUNCAY ZORLU
- İç ortam havasında bulunan uçucu organik bileşiklerin (UOB) farklı nanomalzeme katkılı polimerik nanolif filtreler ile giderilmesi
Removal of volatile organic compounds (VOC) in indoor air with polymeric nanofiber filters added to different nanoparticles
DİLA AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
- Gemiler için çözücü bazlı karbon tutma sistemlerinin incelenmesi
An investigation on the solvent based carbon capture systems for ships
ENGİN GÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Towards rational design of ionic liquid/metal-organic framework composites: Effects of interionic interactions in ionic liquids
İyonik sıvı/metal organik kafesli yapı kompozit malzemelerinin rasyonel tasarlanmasına yönelik: İyonik sıvılardaki iyonlar arası etkileşimin etkisi
VAHID NOZARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER UZUN
DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI