Piroliz yöntemi ile üretilen biyokömürün hidrotermal heteroatom katkılama ile geliştirilmesi ve ağır metal gideriminde kullanımı

Abstract

Bu tez çalışmasında, tarımsal üretimden arta kalan atıklar arasında yer alan mısır koçanı; bol miktarda bulunabilirliği, karbon açısından zengin yapısı ve değerlendirilmeye uygun bir yan ürün olması nedeniyle alternatif bir adsorban olarak kullanım potansiyeli açısından araştırılmıştır. Çalışmada, mısır koçanları 600 °C'de argon atmosferinde piroliz edilerek biyokömür elde edilmiştir. Elde edilen biyokömürlerin yüzey fonksiyonelliklerini artırmak amacıyla, farklı sıcaklıklarda (100 °C, 140 °C, 180 °C ve 220 °C) hidrotermal karbonizasyon işlemleri uygulanmıştır. Hidrotermal karbonize biyokömür örnekleri, literatürde heteroatom katkılaması (doping/functionalization) yöntemiyle yaygın olarak kullanılan H3PO4, H2SO4, HNO3 ve NH3 çözeltileri ile işlenmiş ve böylece yüzeylerine fosfor, sülfür, oksijen ve azot grupları kazandırılmıştır. Bu şekilde sentezlenen heteroatom katkılı biyokömürler, atık sulardan Pb(II) ve Ni(II) iyonlarının giderimindeki adsorpsiyon performansları açısından değerlendirilmiştir. Üretilen biyokömür numuneleri, proses değişkenlerinin optimizasyonu sonrasında FTIR, TGADTA, SEM, SEM-EDX ve BET analizleri ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon bulgularına göre, heteroatom katkılı biyokömürlerin BET yüzey alanlarının 365–434 m2/g arasında değiştiği, en yüksek yüzey alanının NH3-3 –BK örneğinde (434 m2/g) elde edildiği belirlenmiştir. Numunelerin gözenek hacimleri 0,159–0,191 cm3/g, ortalama gözenek çaplarının ise 1,73–1,77 nm arasında değiştiği ve mikro gözenekli karakterin baskın olduğu saptanmıştır. SEM görüntüleri, tüm örneklerde gözenekli, düzensiz ve kırıklı yapıların bulunduğunu göstermiş, heteroatom katkılamanın gözenek gelişimini artırdığı doğrulanmıştır. FTIR, SEM-EDX ve BET analizleri, heteroatom katkılamanın ağır metal adsorpsiyon performansına olumlu katkı sağladığını ortaya koymuştur. Optimum şartların belirlenmesi amacıyla adsorban miktarı, başlangıç derişimi, pH, temas süresi ve sıcaklık gibi parametreler incelenmiştir. Yüzey alan verimliliği yüksek olan biyokömür örnekleri, sulu çözeltiden kurşun ve nikelin uzaklaştırılmasında kullanılmış; adsorpsiyon kinetiği, termodinamik ve izoterm çalışmaları değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma mısır koçanından elde edilen biyokömürlerin, heteroatom katkılamasıyla birlikte ağır metal gideriminde yüksek adsorpsiyon kapasitesi sunduğunu ve çevresel uygulamalar için umut vadeden düşük maliyetli bir adsorban olarak kullanılabileceğini göstermektedir.In this thesis study, corn cobs, an agricultural residue, were investigated as a potential alternative adsorbent due to their high availability, carbon-rich composition, and suitability as a valorized byproduct. Corn cobs were pyrolyzed at 600 °C under an argon atmosphere to produce biochar. To enhance the surface functionality of the resulting biochars, hydrothermal carbonization was performed at different temperatures (100 °C, 140 °C, 180 °C, and 220 °C). The hydrothermally carbonized biochar samples were treated with H3PO4, H2SO4, HNO3, and NH3 solutions, which are commonly used in the literature for heteroatom doping/functionalization, thereby introducing phosphorus, sulfur, oxygen, and nitrogen groups onto their surfaces. The resulting heteroatom-modified biochars were then evaluated for their adsorption performance in the removal of Pb(II) and Ni(II) ions from wastewater. The produced biochar samples were characterized by FTIR, TGA-DTA, SEM, SEM-EDX, and BET analyses after the optimization of process variables. According to the characterization findings, the BET surface areas of the heteroatom-doped biochars ranged between 365–434 m2/g, with the highest surface area (434 m2/g) obtained for the NH3-3–BC sample.". The pore volumes of the samples ranged from 0.159 to 0.191 cm3/g, and the average pore diameters were between 1.73 and 1.77 nm, indicating a predominantly micro porous structure. SEM images showed that all samples exhibited porous, irregular, and fractured structures, and it was confirmed that heteroatom doping enhanced pore development. FTIR, SEM-EDX, and BET analyses revealed that heteroatom doping positively contributed to the heavy metal adsorption performance. To determine the optimum conditions, parameters such as adsorbent dosage, initial concentration, pH, contact time, and temperature were investigated. Biochar samples with high surface area efficiency were used for the removal of lead and nickel from aqueous solutions, and adsorption kinetics, thermodynamics, and isotherm studies were evaluated. In conclusion, this study demonstrates that biochars derived from corn cobs, when functionalized with heteroatoms, exhibit high adsorption capacities for heavy metals and can serve as low-cost, promising adsorbents for environmental applications.