Removal of organic pollutants from aqueos solutions with functional CEO₂/CB nanoceramic composites
Fonksiyonel CEO₂/CB nanoseramik kompozitleri ile sulu çözeltilerden organik kirleticilerin giderimi
- Tez No: 1017517
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EBRU ERÜNAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Endüstriyel faaliyetlerin hızla artması, özellikle tekstil, gıda, kozmetik ve plastik gibi sektörlerden kaynaklanan boyar madde içeren atık suların çevreye deşarj edilmesi sonucunda su kaynaklarında önemli çevresel problemlere yol açmaktadır. Sentetik boyalar yüksek kimyasal kararlılıkları, biyolojik olarak zor parçalanmaları ve toksik etkileri nedeniyle sucul ekosistemler ve insan sağlığı açısından ciddi riskler oluşturmaktadır. Bu nedenle boyar madde içeren endüstriyel atık suların arıtılması için etkin, ekonomik ve yeniden kullanılabilir arıtma yöntemlerinin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Farklı arıtma teknolojileri arasında adsorpsiyon yöntemi; yüksek giderim verimi, basit proses tasarımı, düşük işletme maliyeti ve düşük konsantrasyonlardaki kirleticileri dahi etkili şekilde uzaklaştırabilmesi nedeniyle en yaygın kullanılan yöntemlerden biri olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada karbon siyahı (CB) destekli seryum dioksit (CeO₂) nanokompozit adsorbentleri sentezlenmiş ve sulu çözeltilerden iyonik boyaların giderimi için performansları incelenmiştir. CeO₂ nanoparçacıkları modifiye sol-jel yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Elde edilen CeO₂ nanoparçacıkları daha sonra impregnasyon yöntemi ile karbon siyahı üzerine yüklenerek %20 CeO₂ ve %80 CB içeren kompozit adsorbent hazırlanmıştır. Hazırlanan adsorbanların yapısal, morfolojik, termal ve yüzey özellikleri çeşitli karakterizasyon teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Bu kapsamda X-ışını kırınımı (XRD), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı X-ışını analizi (SEM-EDS), termogravimetrik analiz (TGA), Brunauer–Emmett–Teller (BET) yüzey alanı analizi ve Zeta potansiyeli ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar CeO₂ nanoparçacıklarının karbon siyahı yüzeyine başarılı şekilde yüklendiğini ve CeO₂'nin kübik florit kristal yapısının kompozit yapı içerisinde korunduğunu göstermiştir. Ayrıca kompozit yapının yüzey yükü özelliklerinde ve morfolojik yapısında meydana gelen değişimlerin adsorpsiyon performansını olumlu yönde etkileyebileceği belirlenmiştir. Sentezlenen adsorbanların adsorpsiyon performansı, model anyonik boya olarak Reaktif Turuncu 16 (RO) ve model katyonik boya olarak Metilen Mavisi (MB) kullanılarak kesikli adsorpsiyon deneyleri ile değerlendirilmiştir. CeO₂ ve karbon siyahı arasındaki olası sinerjik etkiyi incelemek amacıyla saf karbon siyahı ve CeO₂/CB kompozit adsorbanlarının adsorpsiyon performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Adsorpsiyon sürecini etkileyen başlıca parametreler olan adsorban dozu (15–25 mg), çözelti hacmi (40–80 mL), başlangıç boya konsantrasyonu (30–80 ppm), pH (2–10), sıcaklık (30–60 °C) ve temas süresi (5–150 dakika) sistematik olarak araştırılmıştır. Deneysel sonuçlar adsorpsiyon performansının hem adsorbanın fizikokimyasal özelliklerine hem de operasyonel parametrelere bağlı olarak önemli ölçüde değiştiğini göstermiştir. Başlangıç boya konsantrasyonunun ve sıcaklığın artması adsorpsiyon kapasitesini artırırken, yüksek adsorban dozlarında partikül aglomerasyonu ve aktif yüzey alanının kısmen bloke olması nedeniyle adsorpsiyon kapasitesinde azalma gözlenmiştir. Çözelti pH'ının adsorpsiyon davranışı üzerinde önemli bir etkisi olduğu belirlenmiştir. Reaktif Turuncu 16 için adsorpsiyon kapasitesinin asidik koşullarda arttığı ve bunun negatif yüklü boya molekülleri ile pozitif yüzey bölgeleri arasındaki elektrostatik çekimden kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Buna karşılık Metilen Mavisi adsorpsiyonunun nötr veya hafif bazik pH değerlerinde maksimuma ulaştığı ve bu durumun elektrostatik etkileşimler ile karbon yüzeyi üzerinde gerçekleşen π–π etkileşimleri ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Adsorpsiyon denge verileri Langmuir, Freundlich, Temkin ve Dubinin–Radushkevich izoterm modelleri kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca temas süresi deneylerinden elde edilen veriler farklı kinetik modeller yardımıyla değerlendirilmiş ve sıcaklığa bağlı adsorpsiyon deneylerinden yararlanılarak termodinamik parametreler hesaplanmıştır. Bu analizler adsorpsiyon mekanizmasının elektrostatik etkileşimler, π–π etkileşimleri, hidrojen bağları ve CeO₂ yüzey aktif bölgeleri ile oluşan kompleksleşme mekanizmalarının birlikte etkili olduğu çoklu etkileşimlerden oluştuğunu göstermiştir. Sonuç olarak, karbon siyahı destekli CeO₂ kompozit adsorbanının sulu ortamlardan iyonik boyaların gideriminde umut verici bir performans sergilediği belirlenmiştir. Karbon siyahının yüksek yüzey alanı ve aromatik yapısı sayesinde oluşan π–π etkileşimleri ile CeO₂'nin yüzey fonksiyonelliği ve redoks özelliklerinin birleşmesi adsorpsiyon performansını artıran sinerjik bir etki oluşturmuştur. Bu çalışma, endüstriyel atık sulardan farklı iyonik karaktere sahip boyaların giderimi için düşük maliyetli ve yeniden kullanılabilir kompozit adsorbanların geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The rapid increase in industrial activities has resulted in the discharge of large amounts of wastewater containing hazardous organic pollutants, particularly synthetic dyes, into aquatic environments. These pollutants are widely used in textile, food, cosmetic, and plastic industries and are known for their high chemical stability, resistance to biodegradation, and potential toxic effects on ecosystems and human health. Therefore, the development of efficient, low-cost, and reusable treatment methods for dye-contaminated wastewater has become an important research topic. Among various treatment technologies, adsorption has been recognized as one of the most effective and economically feasible methods due to its simple operation, high removal efficiency, and flexibility in treating pollutants even at low concentrations. In this study, carbon black (CB) supported cerium dioxide (CeO₂) nanocomposite adsorbents were synthesized and evaluated for the removal of ionic dyes from aqueous solutions. The CeO₂ nanoparticles were prepared using a modified sol–gel synthesis method. The synthesized CeO₂ nanoparticles were subsequently loaded onto carbon black using an impregnation method to form a composite adsorbent containing 20 wt.% CeO₂ and 80 wt.% CB. The structural, morphological, thermal, and surface properties of the prepared adsorbents were comprehensively characterized using several analytical techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy combined with energy-dispersive spectroscopy (SEM–EDS), thermogravimetric analysis (TGA), Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis, and zeta potential measurements. The characterization results confirmed the successful incorporation of CeO₂ nanoparticles onto the carbon black surface while preserving the cubic fluorite crystal structure of CeO₂. The composite structure also exhibited modified surface charge properties and favorable morphological characteristics that may contribute to improved adsorption behavior. The adsorption performance of the synthesized materials was evaluated through batch adsorption experiments using Reactive Orange 16 (RO) and Methylene Blue (MB) as representative anionic and cationic dyes, respectively. The adsorption behavior of pristine CB and CeO₂/CB composite adsorbents was comparatively investigated in order to determine the synergistic effects between CeO₂ and the carbon black support. The effects of key operational parameters, including adsorbent dosage (15–25 mg), solution volume (40–80 mL), initial dye concentration (30–80 ppm), pH (2–10), temperature (30–60 °C), and contact time (5–150 min), were systematically examined. Experimental results demonstrated that adsorption performance strongly depended on the physicochemical properties of the adsorbents as well as the operational conditions of the adsorption process. The adsorption capacity generally increased with increasing initial dye concentration and temperature, while excessive adsorbent dosage led to a decrease in adsorption capacity due to possible aggregation and partial blocking of active adsorption sites. The solution pH played a critical role in determining the electrostatic interactions between the adsorbent surface and dye molecules. Reactive Orange 16 exhibited higher adsorption efficiency under acidic conditions due to electrostatic attraction between negatively charged dye molecules and positively charged surface sites. In contrast, Methylene Blue adsorption showed maximum values near neutral or slightly alkaline conditions, where favourable electrostatic and π–π interactions between dye molecules and carbon-based surfaces could occur. The equilibrium adsorption data were analysed using Langmuir, Freundlich, Temkin, and Dubinin–Radushkevich isotherm models to better understand the adsorption mechanism and surface heterogeneity of the adsorbents. In addition, adsorption kinetics were evaluated using various kinetic models based on contact time experiments, while thermodynamic parameters were estimated from temperature-dependent adsorption data. These analyses provided insight into the adsorption mechanism, indicating that the dye removal process involves multiple interactions such as electrostatic attraction, π–π stacking interactions, hydrogen bonding, and possible surface complexation with CeO₂ active sites. Overall, the results of this study demonstrate that the CeO₂/CB composite adsorbent exhibits promising adsorption performance for the removal of ionic dyes from aqueous solutions. The combination of carbon black's high surface area and π–π interaction capability with the surface functionality and redox properties of CeO₂ provides a synergistic effect that enhances dye adsorption efficiency. This work contributes to the development of cost-effective and reusable composite adsorbents for wastewater treatment applications and provides a comprehensive understanding of adsorption mechanisms for dyes with different ionic characteristics.
Benzer Tezler
- Synthesis, characterization and adsorption performance of functionalized mesoporous organosilicas
Mezogözenekli fonksiyonel organosilika sentezi, karakterizasyonu ve adsorpsiyon uygulamaları
PARVIZ AZIMOV
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilim ve TeknolojiEskişehir Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLGE ERDEM
- PC88A içeren polimer içerikli membranların karakterizasyonu ve kristal viyole giderimi
Characterization and crystal violet removal of polymer inclusion membranes containing PC88A
AYŞE SOLMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
KimyaSakarya ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYNUR MANZAK
DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN YILDIZ
- Fabrika çay atıklarından aktif karbon üretimi, karakterizasyonu ve adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Production of activated carbon from tea-industry waste, its characterization and investigation of adsorptive properties
ALİ GÜNDOĞDU
- Preparation of new polymeric sorbents for removal of organic wastes
Organik atıkların giderilmesi için yeni polimerik sorbentlerin hazırlanması
FATİH BİLDİK
Doktora
İngilizce
2016
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Nanokompozit malzeme kullanarak sulu çözeltilerden Cs(I) uzaklaştırılması
Cesium removal from aqueous solution using nanocomposite material
BİLAL ÇETİN