Development of solid acid catalysts for isosorbide synthesis by sorbitol dehydration
Sorbitol dehidrasyonu ile izosorbid sentezi için katı asit katalizörlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 992042
- Danışmanlar: PROF. DR. SELAHATTİN YILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, sülfonik asit ile fonksiyonelleştirilmiş SBA-15, hem fosfotungstik asit hem de sülfonik gruplar içeren modifiye SBA-15, sülfonik asit fonksiyonlu mezogözenekli karbonlar (Pr-SO₃H/CMK-3 ve Ph-SO₃H/CMK-3) ve sülfonatlanmış UiO-66 (SO₃H/UiO-66) dahil olmak üzere çeşitli katı asit katalizörleri sentezlenmiştir. Tüm malzemeler, yüksek yüzey alanlarına sahip, iyi tanımlanmış mezogözenekli yapılar sergilemiştir. Ölçülen asitlik değerlerinin, kullanılan sentez yöntemine güçlü biçimde bağlı olduğu ve en yüksek asitliğin Ph-SO₃H/CMK-3 katalizöründe elde edildiği belirlenmiştir. Katalizörler sorbitolün dehidrasyon reaksiyonunda test edilmiştir. Geliştirilen katalizörler arasında SO₃H/UiO-66 ve Ph-SO₃H/CMK-3 en yüksek katalitik performansı göstermiş; çözücüsüz koşullarda, %5 (w/w) katalizör yüklemesi ve 140 °C'de tam sorbitol dönüşümü ile sırasıyla %69.4 ve %69.7 izosorbid verimine ulaşılmıştır. Güçlü asidik özellikleri, istenmeyen yan reaksiyonları sınırlarken etkin bir dehidrasyonu mümkün kılmıştır. Her iki katalizör de üç ardışık yeniden kullanım döngüsü boyunca aktivitelerini koruyarak iyi bir kararlılık sergilemiş; diğer bazı katalizörlerde ise sızma veya deaktivasyon gözlenmiştir. SO₃H/UiO-66 kullanılarak sıcaklık (130, 140 ve 160 °C), katalizör yüklemesi (%2.5, 5 ve 10) ve reaksiyon süresinin değiştirildiği parametrik bir çalışma gerçekleştirilmiştir. En uygun çalışma koşulları 140 °C, %5 katalizör yüklemesi ve 6 saat reaksiyon süresi olarak belirlenmiş ve bu koşullarda %69.4 izosorbid verimi elde edilmiştir. Taguchi tabanlı Deney Tasarımı ve Yanıt Yüzey Metodolojisi kullanılarak izosorbid verimi için öngörücü bir model geliştirilmiş ve yüksek bir belirleme katsayısı (R² = 0.98) elde edilmiştir. Kinetik analiz sonuçları, reaksiyonun yüzey reaksiyon kinetiğini ve reaktanlar arasındaki rekabetçi adsorpsiyonu dikkate alan Langmuir-Hinshelwood mekanizmasını izlediğini göstermiştir. Hesaplanan aktivasyon enerjileri, sorbitolün 1,4-sorbitana dönüşümü için 30.91 kJ mol⁻¹ ve izosorbid oluşumu için 40.57 kJ mol⁻¹ olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In this study, various solid acid catalysts were prepared, including sulfonic acid–functionalized SBA-15, SBA-15 modified with both phosphotungstic acid and sulfonic groups, sulfonic acid–functionalized mesoporous carbons (Pr-SO₃H/CMK-3 and Ph-SO₃H/CMK-3), and sulfonated UiO-66 (SO₃H/UiO-66). All materials exhibited well-defined mesoporous structures with high surface areas. The measured acidities strongly depended on the synthesis method, with Ph-SO₃H/CMK-3 exhibiting the highest acidity. The catalysts were evaluated in the dehydration of sorbitol. Among them, SO₃H/UiO-66 and Ph-SO₃H/CMK-3 showed the highest catalytic performance, achieving complete sorbitol conversion and isosorbide yields of 69.4% and 69.7%, respectively, at 140 °C under solvent-free conditions with a catalyst loading of 5 wt%. Their strong acidity enabled efficient dehydration while limiting undesired side reactions. Both catalysts demonstrated good stability, retaining activity over three consecutive reuse cycles, whereas several other catalysts suffered from leaching or deactivation. A parametric study was conducted using SO₃H/UiO-66 by varying temperature (130, 140, 160 °C), catalyst loading (2.5, 5, 10 wt%), and reaction time. The optimal conditions were identified as 140 °C, 5 wt% catalyst loading, and 6 h reaction time, resulting in an isosorbide yield of 69.4%. Taguchi-based Design of Experiments combined with Response Surface Methodology was applied to develop a predictive model for isosorbide yield, achieving a high coefficient of determination (R² = 0.98). Kinetic analysis indicated that the reaction followed a Langmuir-Hinshelwood mechanism, accounting for surface reaction kinetics and competitive adsorption. The calculated activation energies were 30.91 kJ mol⁻¹ for sorbitol conversion to 1,4-sorbitan and 40.57 kJ mol⁻¹ for isosorbide formation.
Benzer Tezler
- Development of solid acid catalysts for cellulose acetate production
Selüloz asetat üretimi için katı asit katalizörlerinin geliştirilmesi
BEGÜM SÖNMEZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN YILMAZ
- Development of solid acid catalysts for alcoholysis of epoxidized soybean oil
Epokside soya yağı alkoliz reaksiyonu için katı asit katalizör geliştirilmesi
AZİME ARIKAYA
Doktora
İngilizce
2025
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN YILMAZ
- Bazı atık biyokütle kaynaklarından 5-hidroksimetilfurfural ve levulinik asit eldesi için katı asit katalizörlerin geliştirilmesi ve aktivitelerinin incelenmesi
Investigation and development of solid acid catalyts from some waste biomass sources for production of 5-hydroxymethylfurfural and levulinic acid
DİLEK ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
KimyaBursa Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURÇAK KAYA ÖZSEL
- Tekstil atıksularındaki boyar maddelerin fotokatalitik oksidasyon ile giderimi için zno bazlı katalizörlerin geliştirilmesi
Development of zno based catalysts for photocatalytic degradation of dyes in textile wastewater
BEYZA DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK TÜTER
PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- Preparation and characterization of niobia-containing solid acid
Niyobya içeren katı asitlerin sentezlenmesi ve katarakterizasyonu
İLKNUR ÇAYIRTEPE
Doktora
İngilizce
2010
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MARGARİTA KANTCHEVA