Investigating the use of composites of hydrogels and metalorganic frameworks for heavy metal removal using artificial intelligence
Yapay zeka kullanarak ağır metal giderimi için hidrojel ve metal organik çerçevelerin kompozitlerinin kullanımının incelenmesi
- Tez No: 941591
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UĞUR ÖZVEREN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Teknolojinin gelişmesi ve sanayileşme ile birlikte ağır metaller, toksik etkileri ve kalıcı yapılarıyla insan sağlığı ve ekosistem için büyük tehditler oluşturmaya başlamıştır. Özellikle yüksek toksisiteye sahip olan kurşun (Pb), bu ağır metaller içerisinde sudan uzaklaştırılması gereken öncelikli kirleticiler arasında yer almaktadır. Bu nedenle, son yıllarda, ağır metal iyonlarının uzaklaştırılmasında yüksek yüzey alanına ve mekanik dayanıma sahip kompozit adsorbanların geliştirilmesi araştırmacılar arasında ön plana çıkmya başlamıştır. Özellikle metal-organik çerçeveler (MOF) ve biyopolimer bazlı hidrojellerin kombinasyonu içeren kompozit malzemeler araştırmacıların en çok ilgisini çeken yapıların başında gelemeye başlamıştır. Bu tez çalışmasında, sodyum aljinat (SA) temelli hidrojel ile metal-organik çerçeve olan Zeolitik İmidazolat Çerçevesi-8 (ZIF-8) kullanılarak sentezlenen kompozit adsorbanın sulardaki Pb(II) iyonlarını uzaklaştırma kapasitesi araştırılmıştır. Tez çalışması beş temel aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, ZIF-8 sentezlenmiştir. İkinci aşamada, belirli oranlarda SA ve ZIF-8 birleştirilerek yüksek adsorpsiyon kapasitesi ve mekanik stabiliteye sahip SA@ZIF-8 kompozitleri elde edilmiştir. Üçüncü aşamada kompozitlerin kurşun giderim performansı sıcaklık (23-50 °C), başlangıç Pb(II) iyonu derişimi (400-500 mg/L) ve temas süresi (10-240 dakika) gibi parametrelerin etkisi altında incelenmiştir. Dördüncü aşamada, elde edilen deneysel veriler kinetik (yalancı birinci derece, yalancı ikinci derece, Dumwald-Wagner), izoterm (Langmuir, Freundlich, Jovanović) ve termodinamik (Van't Hoff) modeller kullanılarak analiz edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda, adsorpsiyon sürecinin büyük oranda kimyasal adsorpsiyon mekanizmasına uyduğu, ayrıca intrapartikül difüzyonun da belirli koşullarda etkili olduğu belirlenmiştir. İzoterm analizi tek tabakalı ve adsorpsiyonun heterojen bir yüzeyde gerçekleştiğini göstermiştir. Termodinamik analizlerle, adsorpsiyonun endotermik ve kendiliğinden gerçekleşen bir süreç olduğu saptanmıştır. Beşinci ve son aşamada ise, optimize edilen veriler ANFIS modeli için istatistiksel olarak derlendi. Bu veriler, daha sonra Uyarlamalı Ağ Tabanlı Bulanık Çıkarım Sistemi (ANFIS) ile optimize edilerek yapay zeka yaklaşımını içeren modelleme gerçekleştirilmiş ve modelin yüksek tahmin başarısına sahip olduğu (R²=0,98) tespit edilmiştir. Ayrıca, optimum çalışma koşullarının 40 °C sıcaklık, %6 ZIF-8 yükleme oranı, 450 mg/L Pb(II) başlangıç derişimi ve 60 dakika temas süresi olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, SA@ZIF-8 kompozit adsorbanının yüksek adsorpsiyon kapasitesi (~260 mg/g) ve tekrar kullanılabilirliği ile ağır metal gideriminde oldukça etkili olduğu ve ANFIS modellemesinin süreç optimizasyonu için güçlü bir araç olduğu ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
The advancement of technology and industrialization has rendered heavy metals a significant hazard to human health and the ecology because to their poisonous properties and enduring structures. Lead (Pb), which has a high toxicity, is one of these heavy metals that must be removed from water as a priority. For this reason, the development of composite adsorbents with a large surface area and mechanical strength for the removal of heavy metal ions has become the focus of researchers in recent years. Composite materials, especially those containing a combination of metal-organic frameworks (MOF) and biopolymer-based hydrogels, are now among the structures attracting the most attention from researchers. In this thesis, the capacity of the adsorbent synthesized from sodium alginate (SA)-based hydrogel and the metal-organic framework Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8) to remove Pb(II) ions from water was investigated. The study was conducted in five main phases. In the first phase, ZIF-8 was synthesized. In the second phase, SA@ZIF-8 composites with high adsorption capacity and mechanical stability were prepared by combining SA and ZIF-8 in specific ratios. In the third stage, the lead removal performance of the composites was investigated under the influence of parameters such as temperature (23-50 °C), initial Pb(II) ion concentration (400-500 mg/L) and contact time (10-240 minutes). In the fourth step, the obtained experimental data were analyzed using kinetic (pseudo-first order, pseudo-second order, Dumwald-Wagner), isothermal (Langmuir, Freundlich, Jovanović) and thermodynamic (Van't Hoff) models. As a result of the analyzes, it was found that the adsorption process largely corresponds to the chemical adsorption mechanism and that intraparticle diffusion is also effective under certain conditions. Isotherm analysis showed that adsorption took place on a single-layered and heterogeneous surface. Thermodynamic analysis showed that adsorption was an endothermic and spontaneous process. In the fifth and final phase, the optimized data was statistically compiled for the ANFIS model. This data was then optimized using the Adaptive Network-Based Fuzzy Inference System (ANFIS) and modeling was performed using the artificial intelligence approach. It was found that the model had a high predictive success (R²=0.98). It was also found that the optimum operating conditions were 40 °C temperature, 6% ZIF-8 loading rate, 450 mg/L initial Pb(II) concentration and 60 min contact time. As a result, it was found that the SA@ZIF-8 composite adsorbent with its high adsorption capacity (~260 mg/g) and reusability was very effective in removing heavy metals and ANFIS modeling was a powerful tool for process optimization.
Benzer Tezler
- Comparison of naproxen-loaded zeolitic imidazolate frameworks (ZIF) and halloysite nanotube-zif composites with 3D printed PLA embedded in gelatin hydrogel
Naproksen yüklü ZİF'ı̇n ve hnt- zıf'in kompozit jelatin hı̇drojele gömülü 3D baskılı PLA'nın karşılaştırılması
REYHAN ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
DOÇ. DR. ÖZGÜL GÖK ÖZATAY
- Polimer yapı içerisinde sentezlenen ZnO nanoparçacıklarının spektroskopik ve fiziksel özelliklerinin incelenmesi
Investigating spectroscopic and physical properties of ZnO nanoparticles sythesized in polymer structure
NESRİN ÇELEBİOĞLU
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR YILMAZ
- Biyobozunur polimer/ polisakkarit kompozitleri ile sefaklor salımı
Cefaclor release with biodegradable polymer / polysaccharide composites
BUSE SEMERCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
BiyokimyaSivas Cumhuriyet ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DEMET BAYBAŞ
- Bentonit, poliakrilamid-bentonit ve poliakrilamid-bentonit-fitik asit yapılarına bazı radyoaktif metaller ile demir ve çinko adsorpsiyonu
The adsorption of some radioactive metals and iron and zinc on the structures of bentonite, polyacrylamide-bentonite and polyacrylamide-bentonite-phytic acid
SELÇUK ŞİMŞEK
- Süpergözenekli, IPN/yarı-IPN hidrojellerin sentezi ve hücre kültürlerinde kullanımı
Synthesis of superporous, IPN/semi-IPN hydrogels and their usability in cell cultures
TUĞRUL TOLGA DEMİRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU