Atıksu arıtma tesisleri için anot elektrotların farklı tip nanomalzemeler ile kaplanarak mikrobiyal yakıt hücrelerinin performansının iyileştirilmesi
Performance improvement of microbial fuel cells for wastewater treatment plants by coating anode electrodes with different types of nanomaterials
- Tez No: 1013118
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FİKRET POLAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Atık su arıtma, Enerji, Mikrobik hücreler, Nanomateryaller, Waste water treatment, Energy, Microbial cells, Nanomaterials
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Düzce Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH), atıksudaki organik maddeleri oksitleyerek eş zamanlı elektrik üretimi ve arıtma sağlayan yenilikçi biyoelektrokimyasal sistemlerdir. Bu sistemlerin düşük güç yoğunluğu, yüksek elektrot maliyetleri ve çevresel koşullara duyarlılık gibi sınırlamalar nedeniyle geniş ölçekli uygulamalara uyarlanması zordur. Bu çalışma söz konusu zorlukların üstesinden gelebilmek için farklı nanomalzemelerle modifiye edilmiş anotların MYH performansına etkisini kapsamlı biçimde incelemektedir. Bu amaçla çalışma kapsamında, tek odacıklı dokuz MYH tasarlanmış ve tüm reaktörler, Yeniköy (Gölcük) Atıksu Arıtma Tesisinden substrat olarak temin edilen gerçek evsel atıksu ile 14 gün boyunca üç tekrarlı olarak işletilmiştir. Anot elektrotları karbon grafit (kontrol), karbon nanotüp (CNT), Al₂O₃, TiO₂, Fe₂O₃, CeO₂, ZnO, aktif karbon ve bor nitrür (BN) ile kaplanmıştır. Deney süresince elektriksel (gerilim, akım, güç, güç yoğunluğu, akım yoğunluğu, kolombik verim), çevresel (pH, sıcaklık), arıtma verimleri (KOİ giderimi) ve gaz emisyonları (CH₄, CO, H₂S) düzenli olarak ölçülmüş; elde edilen tüm veriler ANOVA, Tukey HSD ve korelasyon analizleri ile istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Bulgular, nanomalzeme kaplamanın hem enerji üretim verimliliğini hem de arıtma performansını anlamlı şekilde artırdığını göstermiştir. Dokuz sistem içinde BN kaplı MYH-9 en yüksek performansı sergilemiş; bu reaktörde maksimum gerilim 1,72 V, akım 1,72 mA, güç 2,97 mW ve güç yoğunluğu 551 mW/m² olarak elde edilmiş ayrıca KOİ giderim verimi %80'e, kolombik verim ise %12,14'e ulaşmıştır. Tüm reaktörler arasında gerilim ile sıcaklık arasında pozitif (r=+0,90), gerilim ile pH arasında ise ters yönlü (r=–0,41) ilişkiler bulunmuş, çevresel dalgalanmaların performansı baskıladığı, ancak nanomalzeme modifikasyonunun bu etkileri büyük ölçüde dengelediği belirlenmiştir. Ayrıca nanomalzemelerin özellikle CH₄ ve H₂S oluşumunu azaltarak biyokimyasal dengeyi koruduğu görülmüştür. Çalışmada elde edilen polarizasyon eğrileri, modifiye anotların iç direnç kayıplarını azalttığını ve elektron transfer kinetiğini geliştirdiğini açıkça ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, nanoyapılı anot tasarımlarının gelecekte yüksek verimli ve sürdürülebilir MYH sistemlerinin gelişiminde önemli bir potansiyel taşıdığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Microbial fuel cells (MFCs) are innovative bioelectrochemical systems that enable simultaneous electricity generation and wastewater treatment by oxidizing organic matter present in wastewater. However, the large-scale application of these systems remains challenging due to limitations such as low power density, high electrode costs, and sensitivity to environmental conditions. To overcome these challenges, this study comprehensively investigates the effects of anodes modified with different nanomaterials on MFC performance. Within the scope of the study, nine single-chamber MFCs were designed, and all reactors were operated in triplicate for 14 days using real domestic wastewater obtained from the Yeniköy (Gölcük) Wastewater Treatment Plant as the substrate. The anode electrodes were coated with carbon graphite (control), carbon nanotubes (CNT), Al₂O₃, TiO₂, Fe₂O₃, CeO₂, ZnO, activated carbon, and boron nitride (BN). Throughout the experimental period, electrical parameters (voltage, current, power, power density, current density, and coulombic efficiency), environmental parameters (pH and temperature), treatment performance indicators (COD removal), and gas emissions (CH₄, CO, and H₂S) were regularly monitored. All collected data were statistically evaluated using ANOVA, Tukey HSD, and correlation analyses. The results demonstrated that nanomaterial coating significantly enhanced both energy generation efficiency and wastewater treatment performance. Among the nine systems, the BN-coated MFC (MYH-9) exhibited the highest performance, achieving a maximum voltage of 1.72 V, current of 1.72 mA, power output of 2.97 mW power density of 551 mW/m² and the COD removal efficiency reached 80%, while the coulombic efficiency increased to 12.14%. Across all reactors, a strong positive correlation was observed between voltage and temperature (r=+0.90), whereas an inverse relationship was identified between voltage and pH (r=−0.41), indicating that environmental fluctuations suppressed system performance; however, nanomaterial modification substantially mitigated these effects. Additionally, the nanomaterials contributed to maintaining biochemical stability by reducing CH₄ and H₂S formation. Polarization curves clearly revealed that the modified anodes reduced internal resistance losses and enhanced electron transfer kinetics. These findings highlight the significant potential of nanostructured anode designs for the future development of high-efficiency and sustainable MFC systems.
Benzer Tezler
- Tekstil boyamacılığında atık flottede boyama imkanları üzerine araştırma
Başlık çevirisi yok
MEHMET YAKARTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KERİM DURAN
- Tekstil işletmelerinin çevre kirlenmelerine etkileri
Başlık çevirisi yok
REMZİ GEMCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiUludağ ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET TASMACI
- Conditioning of sludge from physical-chemical treated wastewaters of recreational areas
Başlık çevirisi yok
AYŞEGÜL AKATA
- Isı pompalarıyla çeşitli düşük sıcaklıklı jeotermal veya atık sulardan çekilebilecek ısı miktarlarının belirlenmesi üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
ZEHRA GÜLTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KAMİL ALİBAŞ
- Kuvvetli atıkların yukarı akışlı havasız filtrelerde arıtım kinetiği
Kinetics of strong waste treatment by anqerobic upflow filters
M.ATALAY TİMUR
