Geri Dön

Synthesis and characterization of carbon nanomaterial(S) by hydrothermal carbonization of various wastes

Farklı atık türlerinin hidrotermal karbonizasyon yöntemi ile karbon nanomalzemelerine sentezi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 970837
  2. Yazar: MONIKA SHARMA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİYE SUNA ERSES YAY
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Mühendislik Bilimleri, Çevre Mühendisliği, Science and Technology, Engineering Sciences, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Karbon temelli materyaller, Koklaşma, Nanokompozitler, Nanomateryaller, Nanopartiküller, Nanoteknoloji, Yaşam döngüsü, Carbon based materials, Carbonization, Nanocomposites, Nanomaterials, Nanoparticles, Nanotechnology, Life cycle
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu araştırma, hidrotermal karbonizasyon (HTK) yöntemini kullanarak biyokütle atıklarının sürdürülebilir şekilde yüksek katma değerli karbon nanomalzemelere dönüştürülmesine yönelik derinlemesine ve disiplinler arası bir inceleme sunmaktadır. Yeşil kimya, döngüsel ekonomi ve yaşam döngüsü düşüncesi ilkelerine dayanan bu çalışma, organik atık üretimiyle ilişkili önemli çevresel sorunlara bütüncül bir çözüm yaklaşımı geliştirmektedir. Araştırmanın temelini, genellikle göz ardı edilen ya da sorunlu olarak nitelendirilen bazı organik atık türlerinin, uygun ve sürdürülebilir işlem yöntemleri ile değerlendirilebilecek potansiyele sahip olması oluşturmaktadır. Yenilenebilir ve bol miktarda bulunabilen bu atıklar, çevresel iyileştirmeden inşaat ve biyomedikal uygulamalara kadar birçok alanda kullanılabilecek ileri düzey nanoyapılı malzemelere dönüştürülebilmektedir. Bu vizyon doğrultusunda, HTK işlemine uygunluğu, bileşim özellikleri ve temin edilebilirlikleri dikkate alınarak üç farklı biyokütle atığı seçilmiştir: tarım ve gıda işleme endüstrisinin bir yan ürünü olan nar kabuğu atığı (NKA); törensel veya dekoratif kullanımlar sonrası sıklıkla atılan, süs bitkisi endüstrisinden türetilmiş otsu bir atık olan kadife çiçeği atığı (KÇA); ve endüstriyel tekstil atığı ile yaygın bir belediye katı atığı olan pamuklu kumaş atığı (PKA). Bu öncül malzemelerin her biri, karbonizasyonu teşvik etmeye yönelik aynı ve kontrol altında tutulan işlem koşulları altında HTK işlemine tabi tutulmuştur. Amaç, bu hammaddelerin içsel bileşim farklılıklarının nihai ürünlerin özelliklerini nasıl etkilediğini değerlendirmektir. Deneysel sonuçlar, seçilen hammaddelerin karbonizasyon davranışlarında belirgin farklılıklar olduğunu göstermiştir. Üç malzeme arasında, hidrotermal karbonik nanosferlerin (HKN) üretimi için en uygun öncül maddenin nar kabuğu atığı olduğu belirlenmiştir; bu nanosferler, 50 ila 300 nanometre arasında değişen boyutlara sahip belirgin küresel morfoloji sergilemiştir. Buna karşın, KÇA ve PKA kaynaklı ürünler, düzensiz ve zayıf tanımlanmış karbon yapıları vermiştir. Bu bulgular, HTK yönteminin nanomalzeme sentezindeki etkinliğinin, kullanılan biyokütlenin fizikokimyasal yapısına yüksek düzeyde bağlı olduğunu ve başarılı karbon nanomalzeme üretimi için uygun moleküler yapıya sahip hammaddelerin seçiminin kritik önem taşıdığını göstermektedir. Katı fazlı karbon kürelerin ötesinde, bu çalışma aynı zamanda nar kabuğu atığının iki fazlı değerlendirilmesini mümkün kılarak dikkate değer bir gelişme sunmuştur. HTK işleminden elde edilen sıvı fazda, ultraviyole ışık altında parlak mavi floresan yayan, ultra küçük ve ışıldayan karbon noktalarının bulunduğu tespit edilmiştir. Bu karbon noktalarının optik özellikleri, UV-Vis spektroskopisi kullanılarak karakterize edilmiş ve oluşumlarının başarılı olduğuna işaret eden belirgin absorbsiyon pikleri saptanmıştır. Karbon noktaların floresans davranışı çeşitli konsantrasyonlarda değerlendirilmiş ve maksimum emisyonun 0.05 mg/mL konsantrasyonda gerçekleştiği, daha yüksek konsantrasyonlarda ise tipik söndürme etkilerinden dolayı sinyal yoğunluğunda azalma olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca çözücü bağımlı floresans analizinde gliserolün floresans sinyalini belirgin şekilde artırdığı, toluen gibi apolar çözücülerin ise sinyali bastırdığı görülmüştür. Bu bulgular, PPW kaynaklı Karbon noktaların çok yönlü kullanıma açık olduğunu ve algılama, görüntüleme ve optoelektronik cihazlar gibi çeşitli uygulama alanlarında potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Sentezlenen HKN'ler; yapısal, morfolojik ve fizikokimyasal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla kapsamlı şekilde karakterize edilmiştir. Bu amaçla Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM), X-Işını Difraksiyonu (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Raman Spektroskopisi, Brunauer–Emmett–Teller (BET) yüzey alanı analizi ve Termal Analiz (TGA-DTA) gibi ileri düzey analiz teknikleri kullanılmıştır. Sonuçlar, modifiye edilmemiş HKN'lerin termal stabiliteye sahip olduğunu ve hidrofobik özellik sergilediğini göstermiştir. Bu da onları kirletici adsorpsiyonu ve kompozit malzeme uygulamaları açısından uygun adaylar haline getirmektedir. HKN'lerin fiziksel son işlemlere karşı dayanıklılığını ve performansını anlamak amacıyla, mekanik modifikasyon yöntemi olarak bilyalı öğütme uygulanmıştır. Bu işlem, TEM analizlerinde görülebileceği üzere, kümelenme ve yüzey sıkışması gibi belirgin morfolojik değişimlere neden olmuştur. Bu yapısal değişiklikler, yüzey alanı ve toplam gözenek hacminde önemli ölçüde azalmaya yol açmış, Raman spektroskopisi ise kusur yoğunluğunda artış olduğunu ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, nanoyapı fonksiyonelliğini koruma ile belirli malzeme özelliklerini geliştirme arasındaki hassas dengeyi vurgulamaktadır. Sentez sürecinin çevresel etkilerini daha geniş bir perspektiften değerlendirmek amacıyla ileriye dönük bir yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDA) gerçekleştirilmiştir. YDA kapsamında, HTK işleminin tüm aşamaları—hammadde hazırlığından malzeme karakterizasyonuna kadar—ele alınmış; enerji tüketimi ve emisyonlar odak noktası olmuştur. Değerlendirme, çevresel yükün büyük kısmının reaktörün ısıtılması için kullanılan elektrikten (%75–79) ve malzemelerin kurutulmasından (%20–22) kaynaklandığını ortaya koymuştur. Senaryo modellemeleriyle, konvansiyonel elektrik kaynaklarından yenilenebilir enerjiye geçilmesi durumunda, abiyotik kaynak tüketimi ve küresel ısınma potansiyelinde %120'ye varan azalmalar sağlanabileceği gösterilmiştir. Karbon noktalarının geri kazanımını içeren HTKa senaryosu, tam enerji tahsisi gerektirdiği için daha yüksek enerji girdisi talep etmiş olsa da, geleneksel karbon noktaları sentez yollarında kullanılan sentetik ve yüksek saflıkta kimyasallara olan bağımlılığı azaltarak çevresel avantajlar sağlamıştır. Ayrıca, atık su bertaraf yöntemlerinin duyarlılık analizleri, laboratuvar ölçeğinde sınırlı etkiler görülse de, endüstriyel ölçeklemelerde daha belirgin çevresel iyileştirmelere yol açabileceğini ortaya koymuştur. Bu bulgu, HTK sürecinin ticari ölçekte çevresel açıdan kabul edilebilir biçimde uygulanabileceğine işaret etmektedir. HKN'lerin potansiyel uygulamaları, bu malzemeler açısından görece az araştırılmış iki temel alanda değerlendirilmiştir: biyomedikal bilimler ve inşaat mühendisliği. Biyomedikal bağlamda, HKN'lerin antioksidan aktiviteleri DPPH ve fosfomolibden yöntemleri ile test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, HKN'lerin serbest radikalleri etkin şekilde uzaklaştırabildiğini ve yaygın bir standart olan askorbik asit ile benzer performans sergilediğini göstermiştir. Bu durum, HKN'leri sentetik antioksidanlara potansiyel alternatifler olarak konumlandırmakta; düşük toksisite ve çevresel sürdürülebilirlik gibi iki temel avantaj sunmaktadır. Ayrıca, HKN'lerin potansiyel antibakteriyel etkileri, agar difüzyon tekniği ile belirli antibiyotiklere karşı test edilmiştir. E. coli ve S. aureus'a karşı elde edilen sonuçlar, antibakteriyel etkinin ihmal edilebilir düzeyde olduğunu göstermiştir. Bu sınırlı aktivite, antimikrobiyal etkilerin istenmediği biyouyumlu uygulamalarda avantaj sağlayabilir. Bununla birlikte, bu malzemelerin antibakteriyel etkinliğinin daha yüksek dozlar, farklı bakteri türleri veya yüzey modifikasyonları ile daha kapsamlı şekilde araştırılması gerekmektedir. İnşaat alanında ise, HKN'lerin çimento esaslı kompozitlerdeki etkisi değerlendirilmiştir. %1'e kadar olan düşük dozajlar, ıslak ve kuru karıştırma teknikleriyle uygulanmış ve elde edilen kompozitler fiziksel ve mekanik özellikler açısından test edilmiştir. Sonuçlar, HKN ilavesinin çimento hamurlarının işlenebilirliğini artırdığını, seçilen örneklerde eğilme dayanımını geliştirdiğini ve genel yoğunluğu hafifçe azalttığını göstermiştir. Basınç dayanımı ise önemli ölçüde etkilenmemiştir. Ayrıca, HKN uygulama yönteminin nihai malzeme özelliklerini belirlemede kritik rol oynadığı vurgulanmış ve maksimum performans için karıştırma tekniğinin optimize edilmesi gerekliliği ortaya konmuştur. Eklenen HKN miktarı, çimento üretiminin sürdürülebilirlik profiline anlamlı bir katkı sağlamasa da, iyileştirilmiş mekanik özellikler, HKN'lerin çimento esaslı sistemlerde işlevsel katkı maddesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir—özellikle yapı sektöründeki karbon ayak izini azaltmaya yönelik diğer yeşil malzemelerle birlikte değerlendirildiğinde. Sonuç olarak, bu araştırma, nar kabuğu gibi bir biyokütle atığından çok işlevli karbon nanomalzemelerin çevresel açıdan sorumlu ve uygulanabilir bir yöntemle üretilebileceğini göstermektedir. Aynı biyokütle kaynağından hem hidrotermal karbonik nanosferlerin hem de karbon noktalarının başarıyla elde edilmesi, tek bir atık türünün çok sayıda katma değerli ürüne dönüştürüldüğü döngüsel ekonomi ilkesinin somut bir örneğini sunmaktadır. Elde edilen bulgular, HTK yönteminin nanomalzeme sentezi için çevre dostu ve ölçeklenebilir bir süreç olduğunu ortaya koymakta ve sürdürülebilir malzeme tasarımı, süreç optimizasyonu ve uygulama geliştirme alanlarında yeni araştırma perspektifleri açarak, atık değerlendirme, yeşil üretim ve daha sürdürülebilir bir geleceğe yönelik somut stratejiler önermektedir.

Özet (Çeviri)

This research investigates a sustainable and resource-efficient approach to biomass waste management by synthesizing high-value carbon nanomaterials through hydrothermal carbonization (HTC). Three distinct biomass wastes: pomegranate peel waste (PPW), marigold flower waste (MFW), and cotton fabric waste (CFW), were subjected to HTC under varying conditions to explore their conversion into functional carbon-rich products. Among the tested feedstocks, PPW emerged as the most promising precursor for carbon nanomaterial production, yielding well- defined hydrothermal carbonaceous nanospheres (HCNs) with diameters ranging from 50 to 300 nm. In contrast, the carbon materials derived from MFW and CFW exhibited irregular and poorly defined morphologies. Additionally, carbon dots (CDs) displaying strong blue luminescence were successfully recovered from the liquid phase of the PPW-HTC process, demonstrating the feasibility of dual-phase valorization from a single waste stream. To assess the environmental viability of the process, a prospective life cycle assessment (LCA) was conducted. The analysis identified electricity consumption for reactor heating (75–79%) and drying (20–22%) as the dominant contributors to environmental impact. Scenario modeling indicated that replacing the current electricity mix with renewable sources could reduce abiotic depletion and global warming potential by up to 120%. Sensitivity analysis of wastewater disposal routes revealed that while switching to treatment plants offers only minor improvements at laboratory scale (<1%), the benefits become more pronounced at industrial scales. The scenario involving CD recovery (HTCa) exhibited comparatively higher environmental burdens due to full energy allocation but avoided reliance on high-purity chemical precursors commonly used in conventional CD synthesis. This strategy highlights the environmental potential of integrating biomass-based inputs and waste valorization into emerging nanomaterial production pathways, aligning with circular economy principles. HCNs demonstrated significant potential as green antioxidants. Results from DPPH and phosphomolybdenum assays revealed strong radical-scavenging activity, comparable to ascorbic acid, a standard antioxidant. These findings support the use of HCNs as a sustainable alternative to fossil-derived nanomaterials and synthetic antioxidants, offering both environmental and human health benefits. Under the assay conditions employed in this study, HCNs exhibited minimal antibacterial activity. While these results indicate limited antibacterial effectiveness at the tested concentrations, they also suggest that HCNs may be less cytotoxic, potentially supporting their use in biocompatible or non-disruptive applications. Future studies should explore their performance under varying experimental conditions or investigate modifications to enhance antibacterial efficacy. In addition, the study evaluated the application of HCNs in cement composites. Incorporating HCNs resulted in improved workability and enhanced flexural strength in certain samples, along with a reduction in density without significant compromise in compressive strength. The method of HCNs incorporation was found to significantly influence the final properties of the composites. Although the sustainability impact of low-dosage additions is limited, these findings show the potential of HCNs as a useful addition in cement-based systems, suggesting the need for further research and optimization—particularly when combined with other sustainability-enhancing materials.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    755240

    Composite carbon nanofiber anodes for na ion batteries

    Sodyum iyon piller için kompozit karbon nanofiber anotlar

    ELHAM ABDOLRAZZAGHIAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. MELTEM YANILMAZ

  2. Tez No

    958953

    Carbon-based photocatalyst and quantum dots from sugar beet pulp: Synthesis, characterization, and wastewater treatment applications

    Şeker pancarı posasından karbon bazlı fotokatalizörler ve kuantum noktalar: Sentez, karakterizasyon ve atık su arıtım uygulamaları

    BAHRİYENUR ARABACI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASLI YÜKSEL ÖZŞEN

  3. Tez No

    311966

    Hidrotermal karbonizasyon yöntemiyle gerçek ve model biyokütlelerden karbon nanoküre sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterisation of carbon nanosphere from real and model biomasses by hydrothermal carbozation method

    KIVANÇ AYDINCAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    KimyaAnkara Üniversitesi

    Fizikokimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ SINAĞ

  4. Tez No

    673280

    Synthesis of amphiphilic carbon quantum dots through carbonization of supramolecules

    Supramoleküllerin karbonizasyonu ile amfifilik karbon kuantum noktalarının sentezi

    İBRAHİM YAĞIZ COŞKUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÜNLÜ

  5. Tez No

    632586

    Synthesis and characterization of various tungsten carbide powders from tungsten hexachloride powders via mechanochemical reaction and autoclave/pressure vessel methods

    Mekanokimyasal reaksiyon ve otoklav/basınçlı kap metodlarıyla tungsten hekzaklorür tozundan çeşitli tungsten karbür tozlarının sentezi ve karakterizasyonu

    NİHAN ÖZKAN AYTEKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU

Geri Dön