Pore engineering and surface functionalization of porous carbon structures derived from biochar, and zeolites derived from fly ashes
Biyokömürden ve uçucu küllerden elde edilen zeolitlerden elde edilen gözenekli karbon yapıların gözenek mühendisliği ve yüzey fonksiyonelleştirmesi
- Tez No: 967679
- Danışmanlar: PROF. DR. BURCU AKATA KURÇ, DR. FEYZA KAZANÇ ÖZERİNÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 128
Özet
Bu çalışma, şeker pancarı posasından (SBP) elde edilen azot fonksiyonlu biyokarbonlar ve Türk uçucu külünden türetilen demir bazlı zeolit katalizörler üzerinden iki sürdürülebilir malzeme mühendisliği yaklaşımını kapsamaktadır. İlk aşamada, SBP 0.5 M KOH veya NaOH ile, melamin (M) veya amonyum klorür (ACL) gibi azot katkılayıcıları ile veya katkılayıcı olmadan işlenmiş, ardından CO₂ atmosferinde 700 °C'de piroliz edilmiştir. KOH ile işlenen biyokarbonlar, NaOH ile işlenenlere kıyasla daha yüksek yüzey alanlarına (1487 m²/g'ye kadar) ulaşmıştır. XPS analizi, KOH'un C=O gruplarını teşvik ettiğini, NaOH'un ise C–OH fonksiyonel gruplarını desteklediğini göstermiştir. Azot katkılayıcılar pirrolik ve piridinli bölgeler oluşturarak grafitlenmeyi geliştirmiştir (ID/IG değeri 0.66'ya kadar düşmüştür). TGA sonuçları, alkali ajanların dehidrasyon yoluyla kömür verimini artırdığını, melaminin ise uçucu bileşiklerin parçalanmasını ve mezogözenek oluşumunu kolaylaştırdığını ortaya koymuştur. Bu etkiler, yüksek yüzey alanlı ve özelleştirilmiş mikro yapılara sahip N-fonksiyonlu biyokarbonların elde edilmesini sağlamıştır. Tezin ikinci bölümünde, Class F (Seyitömer, Çatalağzı) ve Class C (Soma, Yatağan) uçucu kül kaynaklarının metandan metanole (MTM) dönüşüm için Fe-yüklü FAU ve CHA zeolitlerine dönüştürüldüğü entegre bir atıktan katalizöre strateji sunulmaktadır. %98 saflıkta Fe(II) oksalat dihidrat, tüm uçucu kül kaynaklarından sürdürülebilir demir kaynağı sağlayan ikili sülfürik asit ve oksalik asit liç sistemi ile elde edilmiştir. Hidrotermal sentez kaynağa bağlı olarak değişmiştir. Class F uçucu kül kaynakları, mevcut Fe'nin GIS oluşumunu engellemesi nedeniyle daha düşük alkalinite gerektirmiş ve yüksek kristallik, mikrogözenekli yapılar üretmiştir. Class C uçucu kül kaynakları daha yüksek alkalinite ve sıkı kontrol gerektirmiş, daha düşük kristallilik ancak daha yüksek gözeneklilik sağlamıştır. Yaşlandırma, NH₄ değişimi, özel Fe yüklemesi ve buharlama gibi son işlemler Fe türlenmesini optimize etmiş, aktif bölgeleri stabilize etmiş ve asitliği düzenlemiştir. Aşırı buharlama ve yüksek Fe yüklemesi yapı bozulmasına yol açmıştır. 300 °C'de yapılan katalitik testler yapı tipine özgü davranışlar sergilemiştir. İzole ekstragövde Fe içeren FAU tipi zeolitler yüksek başlangıç metanol verimleri sağlamış ancak hızla deaktivasyona uğramıştır. Önemli miktarda oktahedral Fe içeren örnekler ise daha kararlı ve sürekli performans göstermiştir. Yumuşak buharlama koşullarında kontrol edilen ekstragö vde Al ve artık alkali, seçiciliği artırmış ve kok oluşumunu azaltmıştır. Class C kökenli Fe-FAU örnekleri, 20. dakikada 137 µmol g⁻¹ h⁻¹ verim ve %56 metanol seçiciliği ile hem Class F hem de saf kimyasal FAU örneklerinden üstün performans göstermiştir. CHA tipi zeolitler en yüksek potansiyeli sunmuştur. Çatalağzı Class F uçucu külünden hazırlanan Fe-CHA, 315 µmol g⁻¹ s⁻¹ üretkenlik ve %46.1 seçicilik sergilemiştir. Çatalağzı kökenli Fe-CHA, metanol veriminde Yatağan kökenli CHA'ya kıyasla iki ila üç kat üstünlük sağlamıştır. Bu sonuçlar, izole ve oktahedral Fe türlerinin dengelenmesi ile ılımlı Brønsted asitliğinin, uçucu külden şablonsuz Fe-zeolit katalizörlerin ölçeklenebilir sentezini mümkün kıldığını ve metandan metanole dönüşümde rekabetçi performans sunduğunu göstermektedir. Bu çalışma, endüstriyel ve tarımsal atıkların, sürdürülebilir kimyasal süreçler için yüksek performanslı katalitik malzemelere dönüştürülmesinde sunduğu potansiyeli vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
This study explores two sustainable material engineering routes via nitrogen-functionalized biochars from sugar beet pulp (SBP) and iron-based zeolite catalysts derived from Turkish fly ash. In the first route, SBP was treated with 0.5 M KOH or NaOH, with or without melamine (M) or ammonium chloride (ACL) as nitrogen dopants, followed by pyrolysis at 700 °C under CO₂. KOH-treated biochars achieved higher surface areas (up to 1487 m²/g) than NaOH-treated ones. XPS analysis revealed that KOH promoted C=O groups, while NaOH favored C–OH functionalities. Nitrogen dopants introduced pyrrolic and pyridinic sites, improving graphitization (ID/IG as low as 0.66). TGA showed that alkali agents enhanced char yields via dehydration, while melamine facilitated volatile cracking and mesopore development. These effects collectively enabled the formation of high-surface-area, N-functionalized biochars with tailored microstructures. Second part of the thesis presents an integrated waste-to-catalyst strategy that transforms Class F(Seyitömer,Çatalağzı) and Class C (Soma,Yatağan) fly ash sources into Fe-loaded FAU and CHA zeolites for methane-to-methanol conversion. Fe(II) oxalate dihydrate with 98% purity was obtained using a binary sulfuric acid and oxalic acid leaching system, providing a sustainable iron source from all fly ash sources. Hydrothermal synthesis was strongly dependent on the source. Class F ash sources required lower alkalinity due to inherent Fe suppressing GIS formation and produced highly crystalline and microporous frameworks. Class C ash sources required higher alkalinity and stricter control and resulted in lower crystallinity but greater porosity. Post-synthesis treatments including aging, NH4 exchange, tailored Fe loading and steaming optimized Fe speciation, stabilized active sites and moderated acidity. Excessive steaming along with enrichment of Fe led to framework degradation. Catalytic testing at 300 °C demonstrated framework-specific behavior. FAU-type zeolites enriched in isolated extraframework Fe sites achieved high initial methanol yields but deactivated rapidly. Samples containing a significant fraction of octahedral Fe species provided more stable and sustained performance. Residual Ca and controlled extra-framework Al by softer steaming conditions improved selectivity and reduced coke formation. Class C-derived Fe-FAU samples outperformed both Class F and pure-chemical FAU analogues, achieving peak productivities of 137 μmol g⁻¹ h⁻¹ with 56 % selectivity to methanol at 20 min. CHA-type zeolites showed the strongest potential. Fe-CHA prepared from Çatalağzı Class F fly ash exhibited exceptional stability and productivity reaching 315 μmol g⁻¹ s⁻¹ with 46.1% coke-free selectivity. Çatalağzı derived Fe-CHA exceeded in methanol yield compared to Yatağan derived CHA by a factor of two to three. These results demonstrate that balancing isolated and octahedral Fe species with moderated Brønsted acidity enables the scalable, template-free synthesis of Fe-zeolite catalysts from fly ash with competitive performance for methane-to-methanol conversion. This work highlights the potential of industrial and agricultural residue valorization as a platform for producing high-performance catalytic materials for sustainable chemical processes.
Benzer Tezler
- Üç-boyutlu, biyobozunur/biyobozunur olmayan polimerik taşıyıcıların biyosinyallerle plazma modifikasyonu ve hücre kültür uygulamaları
Plasma modification of 3D, biodegradable/nondegradable polymeric carriers by biosignals and their applications in cell culture
HİLAL TÜRKOĞLU ŞAŞMAZEL
Doktora
Türkçe
2007
BiyokimyaHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- Fabrication and characterization of support layer for thin film nanocomposite desalination membranes
İnce film nanokompozit desalinasyon membranları için destek tabakası üretimi ve karakterizasyonu
KADER ÖZGÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY
- Mangan oksit bazlı monodispers-gözenekli mikroküre formunda katalizörlerin sentezi ve su kirleticilerinin gideriminde kullanımı
Synthesis of manganese oxide-based catalysts in the form of monodisperse-porous microspheres and their use in the removal of water pollutants
SİNEM ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL
- Fabrication and characterization of pcl-nha composite scaffolds by using non-solvent induced phase separation technique in bone tissue engineering
Kemik dokusu mühendisliğinde solvent olmayan indüklenmiş faz ayırma tekniği kullanarak pcl-nha kompozit iskeleme fabrikasyonu ve karakterizasyonu
MEHMET SERHAT AYDIN
- High internal phase emulsion based adsorbents for efficient dye removal
Yüksek iç faz emülsiyon yöntemiyle hazırlanan adsorbentlerle etkin boya giderimi
TUNAHAN KARABULUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDEM YAVUZ