Valorization of electroplating process wastes by synthesis of layered double hydroxide and magnetic ferrite materials and their use in the removal of industrial pollutants
Tabakalı çift hidroksit ve manyetik ferrit malzeme sentezi ile elektrokaplama prosesi atıklarının değerlendirilmesi ve endüstriyel kirleticilerin gideriminde kullanılması
- Tez No: 971218
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLİN ERSÖZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, yaygın çevresel kirleticilerden olan 2,4-D dimetilamin tuzu ve sulfametazinin giderilmesini hedefleyen bir yaklaşımla, kullanılmış elektro kaplama banyolarından elde edilen nikel ve çinko kullanılarak, çift tabakalı hidroksit (ÇTH) yapılar ile ferrit malzemeler sentezlenmiştir. Bu çalışma, hem atık yönetimi açısından endüstriyel atıkların değerlendirilmesini sağlamakta hem de çevresel kirleticilerin uzaklaştırılması için etkili adsorban ve katalitik malzeme geliştirilmesine katkı sunmaktadır. Toplam dört farklı malzeme -NiFe-ÇTH, ZnFe-ÇTH, Ni ferrit ve Zn ferrit- sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Ferrit yapılar sol-jel yöntemiyle, ÇTH'ler ise homojen çöktürme yöntemiyle sentezlenmiştir. Ni ferrit, uzamış yapılar üzerinde kümelenmiş nanoparçacıklar gösterirken, NiFe-ÇTH ve ZnFe-ÇTH düzensiz, gözenekli nano-tabaka yapılar sergilemiştir (~6.5 nm gözenek boyutu). SEM'de elektrokaplama banyosundan kalan NiCl₂ ve ZnCl₂'ye bağlı olarak klor izleri gözlenmiştir. BET analizine göre NiFe-ÇTH (133.2 m²/g) ve ZnFe-ÇTH (86.87 m²/g), ferritlere kıyasla (Ni ferrit: 2.28 m²/g, Zn ferrit: 1.81 m²/g) çok daha yüksek yüzey alanına sahip olup, daha gözenekli ve açık yapılar sunduğunu göstermiştir. XRD analizleri, NiFe₂O₄ ve ZnFe₂O₄ örneklerinde kübik spinel yapının oluştuğunu doğrulamış; NiFe-ÇTH'de ayrıca NiO ve NiFe₂O₄ fazlarının birlikte bulunduğu görülmüştür. FTIR analizinde, ferritlerde 400–650 cm⁻¹ aralığında M–O gerilme bantları, ÇTH'lerde ise 3400 cm⁻¹ civarında –OH geniş bantları, interlayer su ve karbonat pikleri gözlenmiştir. NiFe-ÇTH'de C–N bağ sinyali, ZnFe-ÇTH'de ise tipik karbonat ve M–O titreşimleri gözlemlenmiş, böylece hidrotalsit benzeri yapıların başarıyla sentezlendiği doğrulanmıştır. Hazırlanan malzemelerin performansları hem adsorpsiyon hem de ileri oksidasyon koşulları altında test edilmiştir. Deneysel tasarımlar Box–Behnken yaklaşımı kullanılarak optimize edilmiştir. 2,4-D dimetilamin tuzunun giderimi adsorpsiyon yöntemiyle gerçekleştirilmiş olup, ön tarama testleri en yüksek giderim veriminin NiFe-ÇTH ile elde edildiğini ortaya koymuştur. Optimize edilen koşullar altında, yani 5 g/L adsorban dozajı, pH 6.5 ve 320 rpm karıştırma hızıyla, maksimum giderim verimi %49.6 olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon sürecinin Langmuir izoterm modeli ve ikinci dereceden kinetiğe uyum sağladığı gözlemlenmiştir. Sulfametazinin giderimi için PMS/görünür ışık oksidasyonu ve katalitik ıslak hava oksidasyonu (KIHO) yöntemleri uygulanmıştır. PMS sisteminde aktif tür olarak yükseltgenmiş delik taşıyıcılar (h⁺) baskınken, KIHO sisteminde süperoksit (O₂•⁻) ve hidroksil radikalleri (•OH) etkili olmuştur. Modele göre, optimize edilmiş koşullarda tahmin edilen giderim verimleri PMS/görünür ışık oksidasyonu için %84.13, CWAO yöntemi için ise %81.04 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, her iki yöntemin de yüksek giderim potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Kinetik değerlendirmelere göre PMS/görünür ışık sisteminde en uygun modelin iki basamaklı ikinci dereceden kinetik, KIHO sisteminde ise iki basamaklı birinci dereceden kinetik olduğu belirlenmiştir. NiFe-ÇTH her iki yöntem için de en etkili katalizör olarak öne çıkmıştır. Katalizörün yeniden kullanım testleri sonucunda yapısal kararlılığını koruduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, elde edilen optimum koşullarda arıtılmış sular üzerinde yapılan fitotoksisite testleri sonucunda, özellikle KIHO işleminden geçen örneklerde kök büyümesi inhibisyonunun oldukça az olduğu (%5.02) belirlenmiştir. NiFe-ÇTH sentezinde kullanılan nikel, endüstriyel atık sudan geri kazanılmış olup; bu yönüyle çalışma, atıkların değerlendirilmesine dayalı sürdürülebilir ve çevre dostu su arıtım teknolojilerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In this PhD thesis study, nickel and zinc based layered double hydroxides (LDHs) and ferrite materials were synthesized from spent electroplating baths, aiming to remove two common environmental pollutants: 2,4-dimethylamine salt and sulfamethazine. This work contributes both to the valorization of industrial wastes in terms of waste management and to the development of effective adsorbent and catalytic materials for environmental remediation. A total of four different materials -NiFe-LDH, ZnFe-LDH, Ni ferrite, and Zn ferrite- were synthesized and characterized. Ferrite structures synthesized via sol-gel method whereas LDHs are synthesized via homogeneous precipitation method. Ni ferrite exhibited aggregated nanoparticles on elongated structures, while NiFe-LDH and ZnFe-LDH showed irregular, porous nanosheet-like morphologies with pore sizes up to ~6.5 nm. Chlorine traces observed in the SEM images were attributed to residual NiCl₂ and ZnCl₂ from the electroplating bath. According to BET analysis, NiFe-LDH (133.2 m²/g) and ZnFe-LDH (86.87 m²/g) exhibited significantly higher surface areas than Ni ferrite (2.28 m²/g) and Zn ferrite (1.81 m²/g), indicating that LDHs possess more porous and accessible structures compared to dense ferrites. XRD results confirmed the formation of cubic spinel phases in NiFe₂O₄ and ZnFe₂O₄ samples, while NiFe-LDH also showed the presence of mixed crystalline phases such as NiO and NiFe₂O₄. FTIR analysis revealed M–O stretching bands in the 400–650 cm⁻¹ range for ferrites, and broad –OH stretching bands around 3400 cm⁻¹ for LDHs, along with characteristic signals for interlayer water and carbonate ions. A C–N bond signal was detected in NiFe-LDH, while ZnFe-LDH exhibited typical carbonate and M–O vibrations consistent with hydrotalcite-like structures, confirming the successful synthesis of both layered and spinel phases. The performances of prepared materials were tested under both adsorption and advanced oxidation conditions. Experimental designs were optimized using the Box–Behnken approach. The removal of 2,4-D dimethylamine salt was carried out by adsorption, and screening tests revealed that NiFe-LDH provided the highest removal efficiency. At the optimized conditions, the highest removal efficiency was obtained as 49.6 % under optimized conditions of 5 g/L adsorbent dosage, pH 6.5, and a stirring rate of 320 rpm. The adsorption process followed the Langmuir isotherm model and second order kinetics. For sulfamethazine removal, PMS/visible light oxidation and catalytic wet air oxidation (CWAO) were tested. In the PMS system, photogenerated holes (h⁺) were identified as the dominant reactive species, while in CWAO, superoxide (O₂•⁻) and hydroxyl radicals (•OH) played a key role. According to the model, the predicted removal efficiencies at the optimized conditions were 84.13% for PMS/visible light oxidation and 81.04% for CWAO, indicating the high potential of both processes. Kinetic evaluations indicated that the PMS/visible light system followed a two step second order model, whereas the CWAO process was best described by a two step first order kinetic model. NiFe-LDH was found to be the most effective catalyst in both systems, and its structural integrity was preserved in reusability tests. Phytotoxicity tests conducted on treated waters under optimum conditions revealed significantly reduced toxicity, especially in CWAO treated samples, where root growth inhibition was as low as 5.02%. The nickel used in the synthesis of NiFe-LDH was recovered from industrial wastewater, highlighting the potential of this approach for sustainable and eco-friendly water treatment technologies through waste valorization.
Benzer Tezler
- Passive layers for preventing gas nitriding
Gaz nitrürlemeyi engelleyen pasif yüzeyler
EBRU ÖZEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- TİN kaplama parametrelerinin aşınma davranışı üzerindeki etkisi
The Effect of coating parameters on the wear behaviour of TİN
OĞUZ AKKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. E. SABRİ KAYALI
- Valorization of functional protein from a plant based food waste: Sour cherry kernel, and its physicochemical characteristics
Bir bitkisel gıda atığı olarak vişne çekirdeğinden elde edilen proteinlerin fizikokimyasal ve fonksiyonel özelliklerinin belirlenmesi
HATİCE SAADİYE ERYILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
DR. ASLI CAN KARAÇA
- Valorization of Şırnak asphaltite and biomass
Şırnak asfaltiti ve biyokütlenin değerlendirilmesi
VEYSİ HELVACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ ÜNER
PROF. DR. MAHMUT PARLAKTUNA
- Valorization of spent coffee grounds into biodiesel: Blending with alcohols, engine performance and FT-IR TGA, DSC and NMR characterizations
Alkol, motor performansı ve FT-IR, TGA, DSC ve NMRkarakterizasyonuyla harmanlama yöntemiyle atıkkahvetelvesinin biyodizel'e dönüştürülmesi
OMAR KHALID MUSTAFA AL-RUBAYE
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDELAZIZ EMADELDIN ABDELAZIZ MOHAMED