LEE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19354

Gözat

Exploring functional dynamics of bacterial and human ribosome structures via coarse grained techniques

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Güzel, Pelin ; Kürkçüoğlu Levitas, Ayşe Özge ; 638208 ; Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

The ribosome is a molecular machine that catalyzes protein synthesis in three kingdoms of life. This process is regulated by the binding of several protein factors to the main ribosomal complex core during different steps of translation, which are initiation, elongation, termination and recycling. This thesis employs coarse-grained (CG) computational techniques that focuses on differences/similarities in especially dynamical behavior between bacterial and human ribosomal complexes at different stages of translation. Investigating the allosteric communication pathways between distant functional sites of the molecular machine is the other focus. In a CG model, sets of atoms are represented by pseudo-atoms to decrease the degrees of freedom and simulation cpu time. In this thesis, residue interaction network, CG molecular dynamics (MD) simulations and anisotropic network model (ANM), which all use reduced representations of the structures based on one-bead coarse-graining, are employed. The findings of at least 500 ns CGMD simulations and ANM using normal mode analysis are interpreted to get an insight into the overall dynamical behavior of ribosomal complexes. Both methods give consistent results with experimental data on the ribosomal complexes. In order to map allosteric communications in the complexes, perturbation response scanning (PRS) and k-shortest pathways calculations are performed using the CGMD trajectories and the residue network model, respectively. PRS provides information on the influence or effectiveness of a given residue in signal transmission. k-shortest pathways calculations requires a source and a sink node and calculates suboptimal pathways. k-shortest path technique is applied to residue interaction networks. CGMD calculations are performed by the RedMD software. ANM using normal mode analysis, residue interaction network model and k-shortest pathways calculations are performed by in-house codes. CGMD calculations are performed on T. thermophilus, E. coli and H. sapiens ribosomal structures. Comparison of experimental and theoretical B-factors (both calculated from CGMD and ANM) shows that the findings are in accord with experimental data. Correlation coefficients are especially in an acceptable range (0.60-0.70) for rRNA portions between experimental-CGMD findings. Most fluctuating parts are found at the solvent-exposed sites on both 30S (small subunit) and 50S (large subunit). For the bacterial ribosome case; head, beak and spur of 30S are found as highly flexible parts. Additionally, some of the sites around the neck where tRNAs and mRNA bind to the ribosome are also flexible. Results point to two flexible fragments in the 50S. One is the L1 stalk which is composed of the uL1 protein and helices H76-H78 of the 23S rRNA. The release of the E-tRNA requires the correct positioning of L1 stalk. Additionally, L7/L12 stalk is another high fluctuating part of the 50S. It is known to make an anticorrelated movement with the L1 stalk. These lateral stalks are found to play a highly crucial role in the proper functioning of the ribosome. The analysis of E. coli crystal structure fluctuations has also shown that the protein components in the ribosomal complex are also in accord with experimental studies. Dynamical cross-correlation maps (DCCMs) based on CGMD trajectories are generated. The findings indicate that there is more coupling within a subunit than between. Coupling within protein chains is also higher than coupling within rRNA chains indicating the more compact globular structures of proteins than rRNAs. Global dynamics of ribosomal complexes are analyzed by employing ANM using normal mode analysis. The calculations are based on four T. thermophilus and one H. sapiens crystal structure. The characteristic conformational changes; ratchet-like rotation (both in T. thermophilus and H. sapiens), 30S/40S head rotation (both), anti-correlated movement of L1 and L7/L12 stalks (T. thermophilus), 40S head and beak regions towards E-tRNA (H. sapiens and T. thermophilus with PDB ID:4v9h), 40S body rotation around vertical axis perpendicular to classical rotation axis called as "subunit rolling" (H. sapiens) are observed. In the second part of this thesis, allosteric regulation mechanisms in the ribosomal complexes are investigated and compared for bacteria and human. For this purpose, k-shortest pathways algorithms and PRS calculations are employed. k-shortest pathway algorithms (Yen's and Dijkstra) are applied to the networks generated from residue interaction. Potential allosteric communication pathways between DC-PTC and the ribosomal tunnel-PTC (peptidyl transferase center) are explored by these CG techniques. Additionally, residues found on the shortest pathways are analyzed in terms of rigidity/flexibility (according to deformation energy analysis) and being "hub" residue or not (according to "contact number" analysis). The calculated suboptimal pathways between the tunnel and the PTC in T. thermophilus ribosomal structures agree with the previously proposed allosteric pathways. Motivated by the success of these models in the tunnel-PTC case, they are employed for investigating potential allosteric communication pathways between highly distant functional sites, the DC and the PTC of the ribosome, which are known to communicate during the translation process. The analysis suggests that especially B3 and B2a inter-subunit bridges are critical for the long-range signal transmission between the DC and the PTC. Then the potential allosteric communication pathways are also investigated on the human ribosomal complex for the first time to our knowledge. The human ribosomal complex seems to employ similar suboptimal pathways between the tunnel and the PTC as well as the DC and the PTC. In this line, B3 and B2a are highlighted as critical hubs in the long-range signal transmission in the ribosomal structures and can be evaluated as drug binding sites. Then, the ribosomal tunnel where the growing polypeptide chain passes through before emerging at the solvent is studied in more detail. In the bacterial ribosome, the ribosomal exit tunnel walls are formed by the 23S rRNA, uL4, uL22 and a bacteria-specific extension of uL23. In eukaryotes, the bacteria-specific extension of uL23 overlaps with eL39. uL4 and uL22 form a constriction within the tunnel which is located approximately 30 Å from the PTC. An additional loop in uL4 makes this constriction narrower in eukaryotes than prokaryotes. In this line, the ribosomal tunnels of both T. thermophilus and H. sapiens are extracted and analyzed in detail. The additional loop in uL4 in eukaryotes changes the dynamical behavior of this region, which may be related to the macrolide binding discrimination in both structures. To get a deeper understanding, the PRS is applied to the conserved critical residues in uL4 which are located at the constriction region of the tunnel. In the same chapter of the thesis, the allosteric communication in the ribosomal exit tunnel is also discussed focusing on both nascent chain interactions and the trigger factor (TF) recruitment mechanism induced by the ribosomal tunnel on E. coli ribosomal structure. PRS analysis is carried out to identify effectors/sensors around the tunnel. The findings are consistent with experimental observations indicating the allosteric communications between PTC-ribosomal tunnel and chaperone binding site in uL23-lower part of ribosomal tunnel. Especially, uL23 can be considered as a novel drug designing targeting its non-conserved pocket.
Adsorptive removal of heavy metal ions from aqueous solution using metal organic framework

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Elaiwi, Fadhil Abid ; Sirkecioğlu, Ahmet ; 711381 ; Kimya Mühendisliği

Industrialization and rapid increase in human population are the cause of increase in wastewater generation. Depending on the source, these wastes may contain hazardous pollutants such as heavy metals, toxic organic compounds, dissolved inorganic solids and etc. Heavy metals are the serious threat to environmental and human health. Due to their toxicity and carcinogenic effects, close attention must be paid to heavy metals containing wastewaters. Even very small amounts of heavy metals can result in severe physiological and neurological damages. Therefore, numerous processes have been developed to treat wastewater minimize this health hazard potential. These processes include membrane filtration, ion exchange, adsorption, chemical precipitation, nanotechnology treatments, electrochemical and advanced oxidation processes. Ion exchange and adsorption are both physicochemical methods used to treat heavy metal containing wastewaters. In both cases high surface are plays an important role. As a new generation of crystalline porous materials, metal-organic frameworks (MOFs) possess high surface area, tunable pore structure and functionalizable surfaces. With these attributes, MOFs have an essential role in several fields, including wastewater treatment. Based on the affinity of amino groups in chelating sites for heavy metal ions, a porous metal-organic framework (MOF) [ED-MIL-101(Cr)] were synthesized as an adsorbent for lead, copper, and cadmium ions. Hydrothermal method was used to synthesize the MOF samples. The functionalized MOF samples were characterized by powder X-ray diffraction (PXRD) to investigate the functionalization process and compare the synthesized MOF with the pristine MIL-101(Cr) samples. Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy was used to analize the functional groups of the adsorbent before and after the treatment process which can be useful in estimating the mechanism for the recovry process and assess the relationship between the ions and the adsorbents sites. Scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TGA), were also performed to investigate crystal structure and the thermal stability of the MOFs in a specified temperature range, respectively. Finally, the surface characteristics of the samples and the particles size distribution were investigated with N2 adsorption-desorption conducted at 77 K. In order to investigate the adsorption performances of ED-MIL-101(Cr) for the chosen heavy metal cations (Pb(II), Cu(II), and Cd(II) ion), batch experiments were conducted with single, binary, and ternary metal solutions. During these experiments the effect of experimental conditions such as pH, adsorbent dosage, initial concentration, were investigated. With the aim of evaluation of conditions for removing of the three metal ions using ED-MIL-101(Cr), several isotherm models were tested to choose the best fit model with the experimental data. Normal and extended forms of Freundlich, Langmuir, and Sips isotherms were adopted to analyze the adsorption behavior of the MOF samples. ED-MIL-101(Cr) exhibits maximum adsorption capacities (mg/g) of 82.55, 69.9 and 63.15 mg/g for Pb(II), Cu(II) and Cd(II), respectively. The experimental data revealed that the adsorption capacity of the adsorbent for the different metal ions at the same concentration mainly depends on the affinity of the adsorbent which was in the order of Pb(II) ˃Cu(II) ˃ Cd(II) in single ion solution. This selectivity order is governed mainly by ionic features such as ionic radius, electronegativity, and hydrated ionic radius. The influence of ionic interaction between the competitive ions in a multi-ion solution namely interaction factor is quantitatively studied and tabulated its values for multi-ion systems. For further studies, kinetics models applied to investigate the Pb(II), Cu(II), and Cd(II) ions adsorption mechanism on ED-MIL-101(Cr). Also, rate-control steps were determined using kinetic method. Linear forms of pseudo-first order, pseudo-second order, and intra-particle diffusion equations were used to interpret the kinetic data. It was observed that the kinetic data that obtained with batch adsorption processes were well fitted with pseudo-second-order model. Also the regeneration process for exhausting ED–MIL–101(Cr) was carried out to assess the recyclability of ED-MIL-101(Cr) for adsorption of lead, copper, and cadmium ions. It was observed that there was an insignificant change in the adsorption efficiency of ED-MIL-101(Cr) samples after three adsorption-regeneration cycles. In order to simulate the real-life experience adsorption experiments conducted also in dynamic system. For this part of the experimental work, a fixed bed of ED-MIL-101(Cr) was prepared for the continuous removal of Pb(II), Cu(II), and Cd(II) ions from the aqueous solutions. A series of experiments were carried out in the fixed bed system to obtain the breakthrough curves data for the adsorption of single and ternary metal ions. The effects of different operating conditions such as static bed height (2, 4, and 6 cm), flow rate (10, 15, and 20 mL/min), and initial concentration of heavy metal ions (50, 75, and 10 mg/L) on the removal efficiency were investigated. The experimental breakthrough data of three metal ions were fitted well with the theoretical model. The breakthrough curves for single and multiple systems showed that Pb(II) has the longest breakthrough time compared with other metals indicating a high affinity toward this ion while Cd(II) had the shortest breakthrough time. Thomas Model and Yoon-Nelson models were used to evaluate the breakthrough curves and evaluate the dynamic data. The results from these two models suggest that the maximum adsorption capacity of the investigated heavy metal ions from single aqueous solutions are in the order of Pb(II) > Cu(II) > Cd(II). These results are in agreement with the experimental data which are also related to the affinity of the adsorbent for the adsorbed ions. Comparably, Yoon-Nelson model is the best model for the data obtained for the metal adsorption experiments conducted with various bed lengths. It can be concluded that amino-functionalized MIL-101(Cr) was found to be a promising candidate for metal ion removal from the aqueous environment.
Investigation of plasticization behavior of membrane polymers by a fully atomistic approach

(Graduate School, 2021-02-01) Balçık, Marcel ; Ahunbay, Mehmet Göktuğ ; 506152004 ; Chemical Engineering ; Kimya Mühendisliği

The increasing influence of polymeric gas separation membranes in the gas separation industry expedites the pursuit of the polymeric materials to be employed as the membranes. While high permeability and selectivity are anticipated from a commercial membrane material candidate, the plasticization phenomenon should not be disregarded. Several gases, such as CO2, H2S, and condensable hydrocarbons, are known to stimulate increased mobility of polymer segments, subsequently to the gas-induced swelling of the membrane, eventually leading to plasticization. Since the plasticization phenomenon is highly related to the increased free volume of the membrane, sieving capabilities of the membrane are lost with the plasticization, leading to a loss in selectivities. The plasticization phenomenon is dependent on the concentration of the swelling gases and is usually identified with the corresponding pressure of the gas. The plasticization pressures of the membranes are the determining factor in the operating ranges of the membranes. Polyimides (PIs) and Polymers with Intrinsic Microporisities(PIMS) are the polymer classes with the highest potentials to be used as gas separation membrane materials. Polymers belonging to both of the classes have already proven to have excelling gas separation performances. However, their gas separation performances and the effect of gas-induced plasticization remain vastly unstudied. Fundamental understanding of the gas separation performance, plasticization and methods of suppressing plasticization in PIs and PIMs is expected to accelerate the efforts in search of high-performance gas separation materials. In this thesis, molecular simulation tools were employed to understand underlying causes leading to macroscopic behaviors, such as gas permeabilities, swelling, and plasticization, in polymeric membranes. Copolyimides (co-PIs) were studied for their plasticization resistance and method development was performed for modeling gas separation performance and plasticization resistance accurately. Later on, the effect of crosslinking on co-PIs in terms of gas permeabilities and plasticization resistance was investigated in detail, particularly with the help of PAFVCO2+ property, a free volume analysis based on CO2 accessibility, which will be explained in detail in relevant chapters. Mixed Matrix Membranes(MMMs) were studied for their plasticization resistance and segmental dynamics of the polymer phase at the interface. The information obtained from the plasticization studies on PIs were then transferred to PIMs, where PIM-1 was studied for pure and mixed gas separation performance and plasticization resistance. The approach was further extended to triptycene-based PIMs, among which three were novel. One of the most important outcomes of this thesis is the development of atomistic simulation protocols for the accurate estimations of plasticization pressures of PIs and PIMs. While permeabilities could be monitored for plasticization, as in experimental studies, molecular modeling also allows monitoring of free volume elements and correlate to the plasticization pressure. The latter was further extended to analyze the rigidification phenomenon in MMMs and the rigidification effect induced by CO2 was identifed for the first time. Plasticization and mixed gas studies on PIMs have proven that conventional approaches to analyze plasticization in polymers are not adequate, as loss of selectivities in mixed gas conditions were shown to be not only associated with the traditional definition of plasticization. In mixed gas conditions, before upturn of CO2 permeabilities, increased CH4 permeabilities compared to pure gas conditions were observed. Additional effects on the gas permeabilities, such as competitive sorption and increased CH4 diffusivities by CO2-induced swelling, are existent in mixed gas conditions, leading to a more complex concept of plasticization.
İlaç taşıyıcı sistem olarak kullanılacak PEG kaplı karbon nanotüplerin sentezi ve ilaç taşıma performanslarının belirlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-02-10) Arslan, Muhammed Berkcan ; Güner, Fatma Seniha ; 506181009 ; Kimya Mühendisliği ; Chemical Engineering

Günümüzde kanser en önemli hastalıklardan biridir. Ölümlerin çoğu kanser hastalığı sebebiyle olmaktadır. Tedavi amacıyla kullanılan yöntemler genel olarak cerrahi, radyoterapi ve kemoterapidir. Kemoterapi yöntemleri ilacın kan dolaşımına geçtikten sonraki etkisini göstermektedir. Ayrıca hormon tedavileri, biyolojik tedavi yöntemleri ve hedefe yönelik tedaviler uygulanmaktadır. Yeni nanoteknolojik gelişmelerle birlikte ilaç taşıma sistemleri, ilacın sorunlu bölgeye nüfuzunu artırarak doğrudan ulaştırılmasını sağlayabilmektedir. Bu çalışmamızda kanser tedavisinde kullanılabilecek ilaç taşıyıcı sistem olarak yeni bir nanomalzeme geliştirilmiştir. Bu malzemenin temelini tek duvarlı karbon nanotüp (KNT) oluşturmaktadır. Karbon nanotüplerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin diğer malzemelere göre daha üstün ve avantajlı olması bu malzemenin seçilmesinde önemli bir rol oynamıştır. Çözünürlüklerinin az olması KNT'ler için bir dezavantajdır. Bu problemi gidermek, KNT'lerin yabancı madde olarak algılanmasını önlemek ve kanda kalış zamanını arttırmak amacıyla, literatürde belirtildiği gibi polietilen glikol (PEG) kaplama malzemesi olarak seçilmiştir. PEG zincirlerini KNT duvarına tutturmak için yapısında aromatik gruplar içeren Fmoc aminoasiti ile PEG reaksiyona sokularak kompleks bir yapı hazırlanmıştır. Çalışmada iki farklı molekül ağırlığında PEG (PEG5000 ve PEG12000), Fmoc-Trp-OH ile reaksiyona sokulmuştur. Hazırlanan Fmoc-PEG kaplı KNT'lerin karakterizasyonu için, floresans spektroskopisi, nükleer manyetik rezonans (NMR), Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve bağlanma verimini saptamak amacıyla da termogravimetrik analiz (TGA) yöntemleri kullanılmıştır. Çalışmanın bir sonraki aşamasında ise, meme kanseri tedavisinde kullanılan mitoxantrone ilacı PEG5000 ve PEG12000 ile kaplanmış olan tek duvarlı KNT'lere pH=9.1ortamında yüklenmiş ve pH=5.5 ortamında salım performansları belirlenmiştir. İlaç yükleme ve salım çalışmalarında ultraviyole ve görünür ışık absorpsiyon spektroskopi (UV-VIS) spektroskopisi kullanılmıştır.
İlaç üretim tesisinde şehir şebeke suyundan saf su üretim prosesi ekserji analizi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-02-18) Aktunç Tulunay, Cansu ; Yaman, Serdar ; 506161050 ; Kimya Mühendisliği

Hem dünya hem ülkemizde mevcut yaşamsal faaliyetlerimizi sürdürebilmek için enerji büyük bir gereksinimdir. Bu yaşamsal faaliyetlerinin gerçekleşebilmesi için üretmek gerekmetkedir. Yapılacak olan üretim operasyonları kaçınılmaz olarak kaynak ve enerji tüketimlerinide beraberin de getirecektir. Dünya'da var olan enerji kaynaklarının sınırlı olmasından dolayı, günümüzde kaynakların etkili kullanılması ile enerji tasarrufu yapılması büyük önem taşımaktadır. Enerji tasarrufunun gerçekleştirilmesinde en öne çıkan kısım daimi olan üretim süreçlerinin tasarım ve kurulum aşamalarında optimum enerji harcamalarının hesaplanmasının göz önünde tutulmasıdır. Bu noktada ekserji kavramı karşımıza çıkmakta olup, üretim süreçlerinde enerji kaynaklarının gerçekte ne kadar verimli kullanıldığını tespit edebilmekteyiz. Ekserji analizi sayesinde bir sistemin ya da prosesin niceliği yanında niteliği hakkında kayıpları ve terinmezlikleri tespit edebilmekteyiz. Yapılan bu analizler sonucunda sistemin ya da prosesin en çok kayıplar yaşanan noktalarını saptayarak bunları bertaraf edecek önemler için bize yol gösterici olacaktır. Ekserji analizi, termodinamiğin ikinci kanunu ile ortaya çıkmış olup yakın dönemde bir çok alanda yürütülen çalışmalar ile göz önüne çıkmıştır. Bunun sonucu olarak üretim sistemlerinin tasarımlarından ya da işletmelerinden sorumlu olan kişilerin ekserji analizi yapma yükümlülükleri oluşmaya başlamıştır. Bu tez çalışmasında, bir ilaç üretim tesisinde üretim operasyonlarında kullanmak üzere şehir şebeke suyundan saf su üretim prosesinin ekserji analizi yapılmıştır. Ekserji analizi için prosese dahil olan giriş ve çıkış akımları tayin edilmiştir. Buna ilave olarak bu prosesin gerçekleştiği çevre koşulları ve ekserji analizinin yapılması için gerekli kabuller açıklanmıştır. Ekserji analizi için yapılan denklemlerin hesaplamaları MATLAB programı kullanılarak yapılmıştır. Şehir şebeke suyundan saf su üretim prosesine dahil olan ana ekipmanların parametreleri temin edilemediğinden dolayı proseste bulunan ana yardımcı ekipmanların tek tek ekserji analizleri gerçekeştirilmiştir. Bu ekserji analizleri sırasında şehir şebeke suyunun mevsimsel dönüşümlerden etkilenmesinden dolayı kış ve yaz koşulları olmak üzere iki farklı koşulda hesaplamalar yapılmıştır. Bu prosese uygulanan ekserji analizleri sonucunda 29.18% ekserji verimi ile en büyük ekserji kaybının ısı değiştirici eşanjörün kış mevsiminde yaptığı ısıtma modu olduğu tespit edilmiştir. Kış mevsiminde şehir şebeke suyunun sıcaklık değerlerinin, proses tasarımında kabul edilen ortalam sıcaklık değerlerinden daha düşük olmasından dolayı sistemde çok fazla enerji harcaması ile ısıtma sağlandığı anlaşılmıştır.
Kontrollü aktif molekül salımı yapan pektin temelli hidrojellerin geliştirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-06-24) Kocaağa, Ayşe Banu ; Levitas Kürkçüoğlu, Ayşe Özge ; Güner, Fatma Seniha ; 506912019 ; Kimya Mühendisliği

Yara tedavisi, bir dizi hücresel ve biyokimyasal olayların, dokuyu tamir etme ve yenileme amacıyla, iç içe geçmiş ve düzenli bir sırada gerçekleştiği bir prosestir. Günümüzde, diyabet hastalığı gibi çeşitli hastalıkların neden olduğu kronik yaralar, hızla yaşlanan nüfus, trafik kazaları ve cerrahi prosedürlerin artışı ile daha etkili yara örtülerine olan gereksinim artmaktadır. Gelişmiş bir yara örtüsü, mükemmel biyouyumluluk ile beraber bakterilere karşı bir koruma sağlamalı, fazla eksudayı absorbe edebilmeli, uygun su buharı ve oksijen geçirgenliği oranı ile de iyileşmeyi hızlandırmalıdır. Ayrıca, hasta ve hasta yakınları için konforlu bir kullanıma sahip olması, mekanik dayanıklılık, uzun raf ömrü, uygun maliyet ve biyobozunurluk da bir yara örtüsü malzemesinde aranan önemli özelliklerdendir. Ancak, çoğu mevcut yara örtüleri bu özelliklerden çok azını bir arada içermektedir. Bu nedenle, tüm aranan özellikleri bir arada barındıran, düşük maliyetli, gelişmiş yara örtülerine ihtiyaç bulunmaktadır. Bu motivasyonla, bu tez çalışmasında in silico ve in vitro yöntemlerin beraber kullanıldığı bir yaklaşımla, yara örtüsü olarak kullanılmak üzere antimikrobiyal, kontrollü ilaç/protein salım sistemleri geliştirilmiştir. Yara örtüsünün ana matrisi olarak pektin seçilmiştir. Hidrofilik pektin fazla yara sıvısını absorplayabilir. Gözenekli hidrojel yapısı ile pektin kontrollü ilaç salımı yapabilir. Pektin zincirlerinin üzerindeki fonksiyonel gruplar aracılığıyla oluşan asidik ortam ise bakterilere ve virüslere karşı bir bariyer görevi görebilir. Tez kapsamında yapılan çalışmalar bölümler halinde sunulmuştur. Öncelikle yara örtüleri için literatürde rapor edilen çalışmalar ve pektinin yara örtüsü olarak kullanımı tartışılmıştır. Bunu, moleküler modelleme ve moleküler dinamik (MD) simülasyonları hakkında kapsamlı bir bölüm takip etmektedir. Tez kapsamında yapılan çalışmalar ise beş ayrı bölümde tartışılmıştır. İlk bölümde, tüm-atom MD simülasyonları kullanılmıştır. Temel olarak galakturonik asit monomerleri içeren pektin zincirleri kimyasal özellikleri farklı karboksil, ester ve amitli grupları barındırmaktadır. Çalışmada, yüksek metoksili ve düşük metoksili olarak 21 monomerli pektin oligomerleri modellenmiştir. Ca2+ iyonlarıyla çapraz bağlanmış zincirlerin düşük enerji seviyelerinde konfigürasyonları taranmış, düşük metoksili pektin zincirlerinin çapraz bağlı yapılarını daha fazla korudukları tespit edilmiştir. Tezin devamında kontrollü ilaç salım sistemlerinde düşük metoksili pektinin kullanılmasına karar verilmiştir. Çalışmaların ikinci bölümünde, düşük metoksili pektinden sentezlenen hidrojeller, farklı Ca2+ iyonu ve ilaç yükleme konsantrasyonlarında, ve farklı sayıda hidrojel katmanlarda çalışılmıştır. Sentezlenen hidrojeller karakterize edilmiş ve istenilen ilaç salım hızının katman sayısı ve film kalınlığı ile kontrol edilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. Tezin simülasyon odaklı üçüncü çalışmasında ise, pektin hidrojellerinin yüklenen ilacı kontrollü salabileceği ilaç konsantrasyonu aralığının belirlenmesi için hesaplamalı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, Ca2+ ile çapraz bağlı 21 monomer uzunluğundaki α-D-galakturonik asit oligomerleri, artan prokain konsantrasyonlarında (6, 30, 60, 90 180 mg ilaç.g-1 film), her sistem için üçer bağımsız 200 ns uzunluğunda tüm-atom MD simülasyonları ile incelenmiştir. Sonuçlara göre 30 mg.g-1 prokain yüklemenin çapraz bağlamayı bozmayacağı, bu konsantrasyonun hidrojeli düşük seviyede degredasyona uğratacağı ve kontrollü salım yapabileceği ön görülmüştür. MD çalışmalarında kullanılan konsantrasyonlarda prokain yüklü pektin hidrojeller sentezlenmiş, karakterize edilmiş, analizler ile prokain salımı ve hidrojel degradasyonunun simülasyonlarla tahmin edilebileceği ortaya konmuştur. Bu hesaplamalı yaklaşım kontrollü salım için kullanılacak benzer esnek sistemlerin tasarımında da kullanılabilir. Tezdeki diğer bir çalışmada, pektin hidrojelin mekanik özelliklerini arttırmak için kafes yapılı alimünasilikat zeolit-A kullanılmıştır. Bu katkı ile kontrollü ilaç salımı yapabilen, modern yara örtüsü için gerekli özelllikleri taşıyan, uygun maliyetli özgün bir yara örtüsü geliştirilmiştir. Membrana difüzyon ve matrise difüzyon olmak üzere iki farklı hidrojel hazırlama metodu ile hazırlanan hidrojellerde farklı çapraz bağlayıcı, zeolit ve teofilin ilacı konsantrasyonlarında çalışılmıştır. Pektin-zeolit etkileşimlerini kontrol etmek amacıyla iki farklı iyonik formatta (Na+ ve Zn2+) zeolit-A kullanılmıştır. Membrana difüzyon yöntemi ile hazırlanan hidrojellerin teofilini kontrollü bir şekilde salabildiği, zeolit-A partiküllerinin teofilin deposu olarak davranırken hidrojel stabilitesini ve oksijen geçirgenlik hızını arttırdığı tayin edilmiştir. Pektin-zeolit hidrojellerin ilaç salımına etki eden en önemli parametrelerin şişme oranı ve iyon konsantrasyonu olduğu belirlenmiştir. Tezin son bölümünde ise hem yüksek kanamalı ve yanık yaralarında önemli bir problem olan, hem de kalp krizi, kanser ve COVID-19 nedeniyle gelişebilen serum albümin eksikliği yaşayan hastaların cerrahi operasyonlarında kullanmak amacıyla serum albümin yüklü pektin-zeolit hidrojeller geliştirilmiştir. pH 6,4 ortamında hazırlanan 100 mg.g-1 film albümin yüklü hidrojelin, yapısında immobilize olmuş albümini kontrollü bir şekilde protein yapısını bozmadan dış ortama salabildiği belirlenmiştir. WST-1 yöntemi ile dermal fibroblast hücrelerine karşı gerçekleştirilen hücre canlılığı analizlerinde, kontrol grubu ile karşılaştırıldıklarında hazırlanan hidrojellerin hücre sayısını düşürmediğini, in vitro yara iyileşmesi analizlerinde ise hücrelerin göçüne etki etmediği, fibroblast hücreleri üzerinde toksik bir etki göstermediği belirlenmiştir. E.coli ve S.aureus'a karşı yapılan antibakteriyel analiz testlerinde ise hidrojellerin antibakteriyel özellikleri gösterilmiştir. Bu tez kapsamında, atık ürün veya yan ürün olarak değerlendirilen pektini kullanarak geliştirilen antibakteriyel, aktif ajan yüklü yara örtüleri ile kişiye özel tasarım (istendiğinde kontrollü veya hızlı salım, ilaç/protein salımı, istenilen ebatta esnek yara örtüsü) yapılabileceği belirlenmiştir. Katma değeri yüksek olan bu ürünün ithal yara örtülerine olan bağımlılığı azaltacağı ve ülke ekonomisine katkıda bulunacak olması ise tezin bir diğer önemli çıktısıdır.
Atık çinko-karbon ve alkalin pil karışımının hidrometalurjik geri kazanım prosesinin oluşturulması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-11-15) Andak, Bayram ; Güner Genceli, Fatma Elif ; 506112005 ; Kimya Mühendisliği

Bu çalışmada amaç, taşınabilir enerji depolama sistemleri içerisinde en yaygın kullanım alanına sahip pil grubunu oluşturan çinko-karbon ve alkalin pillerin geri kazanılması için hidrometalurjik bir proses oluşturulmasıdır. Bu kapsamda, atık çinko-karbon ve alkalin pil karışımı bir dizi fiziksel ve kimyasal işlemlerden geçirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında farklı marka ve boyuttaki pillerin fiziksel ve kimyasal karakterizasyonu yapılmıştır.
Effect of lignin, extractive matter, holocellulose, and alpha cellulose of biomass on calorific value

(Graduate School, 2022) Kaynar, Özlem Ecem ; Yaman, Serdar ; 736597 ; Department of Chemical Engineering

Biomass is a renewable energy source that uses air, water and sunlight. Wood, animal waste, municipal solid waste, agricultural residues, forest residues and power plants are some examples of biomass. The utilization of biomass energy to replace fossil fuels is viewed as a viable strategy to prevent global warming. Woody plants, herbaceous plants/grasses, aquatic plants, and fertilizers are the four basic forms of biomass. Extractives, fiber or cell wall components, and ash are the three primary components. Carbohydrates (cellulose or hemicellulose) and lignin, which gives structural strength, make up the cell wall. Ash is derived from inorganic components in biomass, and its content is often low in lignocellulosic biomass types. The major organic components of biomass are cellulose, hemicellulose, and lignin. Cellulose is a glucose polymer that is water insoluble. The cellulose content of biomass is generally about 40-50 percent by weight. Hemicellulose accounts for around 20-40\% of biomass by weight, while lignin accounts for 10-40\%. Lignin is more biodegradable than cellulose. One of the most essential characteristics for the energy conversion pathway is the ratio of cellulose, hemicellulose, and lignin, and biomass possesses chemical energy because of it. To create a model, researchers gathered data from 12 separate papers. The calorific values of diverse biomass were computed in these articles, as well as the percentage values of lignin, extractive matter, holocellulose, and alpha-cellulose in the biomass content. The goal of this research was to create a model based on the estimated values' correlation. The regression analysis approach was utilized to create the models. Regression analysis is an essential tool for analyzing functional relationships between variables. Data must be supplied into a machine learning algorithm in order to construct the model. For regression analysis, a machine learning algorithm in the Python programming language was employed. The statistical approach of regression analysis was used to investigate the connection between one or more independent variables and response variables. In this investigation, simple and multiple linear regression models were utilized. The most frequent kind of analysis is simple linear regression, which is the simplest way to define the function. It is a simple way to predict an interaction using just one predictive variable. A regression model called multiple linear regression is used to establish a link between many independent variables and a single dependent variable. A plane that passes as close to these sites as feasible should be identified if the link between the three axes is to be stated as multiple linear regression. The lines that best reflect the points on the response and prediction variable scatterplots were calculated in this study using the least squares (OLS) technique. The goal of the OLS method is to find a function curve that is as close to the data points acquired from the measurement result as feasible.
Farklı asitlere katkılanmış polianilinin sentezi sentezi, karakterizasyonu ve süperkapasitör uygulaması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Çelenk Metin, Merve ; Güner, Fatma Seniha ; Türker, Yurdanur ; 737882 ; Kimya Mühendisliği Bilim Dalı

Fosil yakıt kaynaklarının hızla tükenmesi ile birlikte günümüzde sürdürülebilir, çevre dostu enerji sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kaynakların etkili bir biçimde kullanılabilmesi için üretilen enerjinin minimum kayıpla ve maksimum nitelikle depolanması gerekmektedir. Bu durum ise enerji depolama sistemlerine olan ihtiyacı zaruri kılmaktadır. Tipik bir enerji depolama sürecinde, bir tür enerji depolanır ve gerektiğinde kullanılmak üzere başka bir enerji çeşidine dönüştürülür. Bu nedenle, farklı enerji kaynaklarının doğru kullanımına yönelik çeşitli enerji depolama sistemleri geliştirilmektedir. Enerji depolama sistemlerinden biri olan süperkapasitörler, mükemmel çevrim ömrü, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı şarj-deşarj süreci gibi umut verici özelliklerinden dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Süperkapasitörlerin performansı; malzeme tasarım stratejilerinin, sentez tekniklerinin, karakterizasyon metodolojilerinin ve farklı elektrot/elektrolit malzemelerinin geliştirilmesiyle hızla ilerlemektedir. Süperkapasitörler temel olarak elektrikli çift katmanlı kapasitörler (EDLC'ler) ve psödokapasitörler olarak sınıflandırılabilir. Çift katmanlı süperkapasitörler elektriği elektrostatik olarak depolar, başka bir deyişle, süreç temel olarak elektrolit ve elektrotlar arasındaki arayüzlerde iyon adsorpsiyonundan kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, psödokapasitans, hızlı geri dönüşümlü faradayik elektrokimyasal reaksiyonlara dayanır. Çift katmanlı süperkapasitör mekanizmasında karbon nanotüpler (CNT'ler), grafen ve aktif karbon gibi çeşitli karbon bazlı malzemeler elektrot malzemeleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Karbonlu malzemeler süperkapasitör uygulamalarında yaygın olarak kullanılmasına rağmen, kapasitans değerleri psödokapasitans sergileyen iletken polimerlere kıyasla nispeten düşüktür. Polianilin (PANI), polipirol (PPY) ve poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) gibi psödokapasitif malzemeler, zahmetsiz işlenmesi, kolay sentezlenmesi, hafifliği ve düşük maliyeti sayesinde son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Bu polimerler arasında PANI çevre dostu olması, yüksek iletkenliği, kimyasal kararlılığı ve çok çeşitli uygulamalarıyla büyük ilgi görmüştür. PANI bazlı elektrot malzemesinin yükleme/boşaltma işlemi, polimer ve elektrolit arasındaki iyon değişiminin eşlik ettiği tipik bir doping/de-doping işlemidir. Sentez esnasında farklı kimyasal yapılara sahip katkı maddelerinin kullanılmasının yüzey morfolojisi, çözünürlük, kristalinite derecesi, moleküler ağırlık ve iletkenlik gibi çeşitli özellikleri değiştirdiği bilinmektedir. Bu çalışmada, süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılmak üzere PANI bazlı iletken polimerler, farklı asit katkı maddeleri (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4, HClO4) kullanılarak kimyasal oksidatif polimerizasyon yoluyla sentezlenmiş ve asit katkısının polimerin elektrokimyasal özelliklerine katkısı incelenmiştir.
Gıda ambalaj malzemesi hedefli berberin katkılı kitosan filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Öztürk, Seray ; Berker Erim, F. Bedia ; Kalaycıoğlu, Zeynep ; 740347 ; Kimya Bilim Dalı

Gıda ambalajları gıdanın raf ömrünün uzamasında ve gıdayı dış etkenlerden korumada birincil rol oynar. Gıda endüstrisinin sahip olduğu geniş yelpaze, doğru orantılı olarak ambalaj endüstrisinin büyümesine yol açar. Ambalaj malzemelerinin kaynak olarak petrokimyasal bazlı ürünlerden elde edilmesi, atık ambalajların bir çevresel soruna dönüşmesine neden olur. Çevresel kirliliği önlemek için gelişen hassasiyetlerle birlikte doğa dostu ambalaj malzemeleri oluşturulmaya başlanmıştır. Doğa dostu olarak ifade edilen ambalaj malzemeleri, biyobozunur ve biyouyumlu özellikler taşırlar. Bu çalışmada, bir biyopolimer olan kitosana berberin klorür standardı eklenerek alternatif bir gıda ambalaj malzemesi oluşturmak hedeflenmiştir. Kitosan, birçok canlının yapı polisakkariti olan kitinin deasetilasyonu sonucu elde edilen bir biyopolimerdir. Seyreltik asit ile hazırlanan kitosan çözeltisi, çözelti dökme tekniği ile film haline getirilir. Böylece kitosan, ambalaj malzemesi olarak kullanılabilecek bir yapıya dönüştürülür. Ayrıca kitosan, biyobozunurluk, biyouyumluluk, biyoyararlılık ve toksik olmama gibi önemli özelliklere de sahiptir. Kitosanı çeşitli biyoaktif ürünlerle katkılandırmak mümkündür. Bu sayede sentetik gıda koruyucuları kullanmadan doğal kaynaklar yoluyla gıdaların bozulmasını önleyebilecek gıda ambalaj malzemeleri geliştirilebilir. Bu yüksek lisans tez çalışması kapsamında kitosan filmin katkılandırılması berberin klorür standardı ile sağlanmıştır. Berberin, çeşitli bitkilerin yapısında bulunan bir alkaloid bileşiğidir. Berberin katkısı ile kitosan filme antioksidan ve antimikrobiyal aktivite kazandırılarak, berberin içerikli kitosan filmin aktif paketleme ürünü olması hedeflenmiştir. Berberin klorür standardının suda çözünmesi 2-hidroksipropil-β-siklodekstrin kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Saf kitosan film, berberin ilaveli film ve berberin hariç tüm bileşenleri içeren kontrol filmin özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Elde edilen filmler sodyum tripolifosfat çözeltisi ile fiziksel olarak çapraz bağlanmıştır. Hazırlanan 3 farklı filmin şişme, çözünürlük, su buharı geçirgenliği ve çekme kuvvetine yönelik deneyler yapılmıştır. Ayrıca filmlerin, antioksidan ve antibakteriyel aktiviteleri de incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, berberin klorür standardı içeren kitosan filmin, kontrol film ve saf kitosan filme göre fiziksel özelliklerinin iyileştiği gözlenmiştir. Berberin katkısının kitosan filmlerin antioksidan ve antibakteriyel aktivitesini artırdığı da görülmüştür. Yapılan çalışmalar ve elde edilen sonuçlar ışığında berberin klorür standardı içeren kitosan filmin alternatif bir gıda ambalaj malzemesi olabileceği sonucuna başarı ile ulaşılmıştır.
Estimation of higher heating value of refuse derived fuel from proximate and ultimate analysis

(Graduate School, 2022) Rashnovadi, Yağmur ; Yaman, Serdar ; 738018 ; Chemical Engineering Programme

Waste production, which is constantly increasing as a result of industrial and technological developments, is becoming an important problem worldwide. Especially with the increase in human population and urbanization, the increase in waste production is inevitable. With the increasing waste production day by day, the resulting wastes must be disposed of in an environmentally friendly way. On the other hand, studies are carried out on obtaining energy from waste in order to reduce dependence on fossil fuels and increase renewable energy production. For this reason, studies are carried out on refuse derived fuel (RDF), which is obtained as a result of physical treatment of municipal solid waste. RDF not only ensures the disposal of waste in an environment friendly way, but also contributes to the production of renewable energy by reducing the dependence on fossil fuels. In addition, the use of fossil fuels in energy production reduces the emission of harmful emissions. RDF contains many different types of waste such as textile, food, rubber, paper, metal, battery, glass. The reason why it is composed of many different components is that there is a wide variety of wastes in municipal solid waste. The compositions in RDF and MSW vary according to factors such as climatic conditions, geographical location and income level. A more homogeneous fuel is obtained by converting municipal solid waste to refuse derived fuel. As a result of obtaining a more homogeneous fuel by converting the wastes to RDF, higher efficiency in energy production is provided. At the same time, RDF has a higher calorific value than MSW. Also, the amount of air required for RDF combustion is less than the amount of air required by MSW. RDF is obtained as a result of various physical processes applied to municipal solid wastes and includes materials such as packaging waste, municipal waste and industrial waste. RDF is a solid fuel with high calorific value and is used as a fuel in many areas such as cement factories and power generation facilities. There are many different methods used to generate energy from RDF. With the thermochemical conversion methods used in obtaining energy from RDF, both waste disposal is ensured and heat or electrical energy is produced. Combustion, pyrolysis, gasification and plasma-based technologies can be given as examples to these thermochemical methods. RDF transforms into solid, liquid and gaseous products through energy production methods. The heating value of the RDF used in energy production is an important factor in terms of the efficiency of the processes. For the design of facilities using RDF, the calorific value must be analyzed correctly. Therefore, within the scope of the thesis, it is aimed to develop correlations that can predict the higher heating value according to the amount of components of the RDF. Proximate and ultimate analysis data were used to determine the components effects on higher heating value and to create a mathematical model. The effects of weight percentage of moisture, ash, volatile matter and fixed carbon on the higher heating value were investigated with the proximate analysis data of 46 different RDF samples obtained as a result of the literature research. According to the results, it was observed that the higher heating values increased with the increase in the amount of volatile matter. On the other hand, the increase in moisture, ash and fixed carbon caused the higher heating values to decrease. In addition, the effects of carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur and chlorine components on the higher heating value were investigated by using the ultimate analysis data of 74 different RDF samples. It was determined that the higher heating values increased with the increase in the weight percentages of carbon and hydrogen. The increase in the oxygen percentage causes the higher heating value to decrease. By applying the multiple linear regression method to the proximate and ultimate analysis data, equations were obtained to estimate the higher heating value of RDF. In regression calculations, higher heating value in the proximate analysis data as the dependent variable; moisture, ash, volatile matter and fixed carbon were considered as independent variables. In the ultimate analysis data, calculations were made with carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen components as independent variables. As a result, three different higher heating value estimation equations were obtained with the multiple linear regression method. The higher heating values were calculated with the obtained equations and compared with the actual higher heating values. The error percentage of the calculated higher heating value according to actual values has been found and it has been determined that the equations can predict the higher heating value with an error of less than 10%.
Effect of operating pressure on design and control of extractive distillation process separating DMC-MeOH azeotropic mixture

(Graduate School, 2022) Koşu Varyemez, Hatice Selin ; Kaymak, Devrim Barış ; 50681006 ; Chemical Engineering Programme

Number of industrial facilities increase rapidly which leads to rise in their negative impact on their environmental destruction. In order to reduce this negative impact, there is a noteworthy increase in the usage of environmentally friendly raw materials and chemical processes. Dimethyl carbonate (DMC), due to its favorable properties such as having low ecotoxicity and being biodegradable, stands out as an environmentally friendly "green chemical". Since DMC has no harmful impact on environment, it is commonly used as substitute material of dimethyl sulphate and phosgene in methylation and carbonylation reactions. In addition to this, it is used as a co-solvent for non-aqueous electrolytes for lithium rechargeable batteries and adequate side material for internal combustion engine fuels. Transesterification of propylene carbonate and methanol is a preferable path for DMC synthesis. However, reaction with excess methanol (MeOH) being fed to the system results in azeotropic mixtures with DMC which eventually leads to difficulties in separation of DMC-MeOH mixture. Extractive distillation which is one of the most preferred methods for separation of azeotropic mixtures is known as an expensive process due to requirement of regeneration of extractive agent. Nevertheless, since DMC-MeOH azeotropic mixture is sensitive to pressure changes, a reduction in extractive agent requirement is considered achievable by operating the extractive column at higher pressures. For that reason, it is aimed to design an increased-pressure extractive distillation process which provides DMC with 99.8% purity and MeOH with 99.99% purity. The proposed process consists of two columns. The purpose of extractive distillation column is to separate methanol from azeotropic mixture using methyl isobutyl ketone (MIBK) as an extractive agent, while the recovery column is used to purify DMC and recycle the regenerated extractive agent MIBK back to the extractive column. The thesis consists of two stages. In the first stage, it is aimed to simulate alternate DMC-MeOH separation process configurations using Aspen Plus where the extractive distillation column operates at different pressures such as 1 bar, 5 bar, 7.5 bar and 10 bar. All increased-pressure extractive distillation process options and the base case where both columns operate at atmospheric pressure are optimized based on the total annual cost (TAC). As per the simulation results, significant amount of reduction in entrainer requirement is observed by increasing the operating pressure of extractive distillation column. By operating extractive distillation column at 10 bar pressure, a 34.1% decrease in total annual cost and 29.8% reduction in carbon dioxide emissions are observed compared to the base case where extractive distillation column operates at atmospheric pressure. Among the design studies of 1 bar, 5 bar, 7.5 bar and 10 bar, control structures are implemented for the case with 10 bar operating pressure which results in the lowest TAC and CO2 emissions. Prior to exporting steady-state design from Aspen Plus to Aspen Dynamics, equipment sizing for reflux drums and column sumps are completed. As steady-state simulation is exported to Aspen Dynamics, necessary controllers such as flow, level, pressure and temperature controllers are implemented to the system. ATV test is used to tune the temperature controllers. After that, seven different control structures which are distillate to reflux ratio control, feed to reflux ratio control, feed to reboiler duty ratio, feed to reflux & reboiler duty ratio controller, combined ratio control of distillate to reflux, feed to reflux and feed to reboiler duty, and feed to entrainer flow ratio are designed, and two different types of disturbances such as ± 20% change in the feed flowrate and ± 3% change in the feed composition are introduced to the system. Each of the simulations is conducted for 50 hours in which first two hours are operates in steady-state conditions. At the end of each simulation, generated data is exported to MATLAB to produce graphical results. According to outcomes of this study, it is seen that in case of change in the feed flowrate, solely feed to reflux ratio, combination of feed to reflux and feed to reboiler duty ratio and combination of distillate to reflux ratio control of extractive column, feed to reflux ratio control of recovery column and feed to reboiler duty ratio control in both of the column gives the best results for product purities by taking into account the lowered offset values and oscillations in addition to quicker response time. In more detailed observation, although there are very small differences between the control strategies yielding good results, combination of distillate to reflux ratio control of extractive column, feed to reflux ratio control of recovery column and feed to reboiler duty ratio control in both of the column gives better results with respect to other two control structures. Two results can be reached from this observation. First, addition of feed to reboiler duty ratio control improves response time of the process against flow rate disturbances although single application of feed to reboiler duty ratio alone does not provide satisfactory results. Secondly, although distillate to reflux ratio alone gives bad results, addition of feed to reflux ratio improves the control structure response to a reasonable level. On the other hand, each of the simulated scenarios except for the scenario seven have converged to its new steady state value in around 20-25 hours and stabilized for any kind of disturbances. It is aimed to control the entrainer make-up flow via a certain ratio from feed flow in 7th control structure, however, proper control of the system was not achieved. As the disturbanced are intoruduced to the system, it is not possible to conduct column operations decently.
Organik kimyasallar ve ham petrol içeren kirlenmiş deniz suyunun tarımsal biyokütleden hidrofobik ve süper oleofilik karbon fiber aerojel üretilerek temizlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-04) Aytekin, Merve ; Açma, Hanzade ; 506181023 ; Kimya Mühendisliği

Enerji ihtiyacı, dünya nüfusunun ve teknolojinin her geçen gün artması neticesinde sürekli artmaktadır. Artan enerji ihtiyacının karşılanmasında en çok petrol kullanılmaktadır. Petrol üretiminin artması birçok sorunu beraberinde getirmektedir. Bu sorunun başında petrolün deniz yolu ile tankerle taşınması esnasında deniz trafiğinin artması, tanker kazaları ve petrolün çıkartıldığı platformlarda meydana gelen kazalar gelmektedir. Kazalar neticeside deniz yüzeyinde biriken petrol ve tankerlerin balast suyunun ve yakıt tanklarını temizlemesi sonucu denize karışan makine yağı içerikli suların denize deşarjı ile deniz suyu kirliliği giderek artmaktadır. Petrol taşımacılığında kullanılan tanker hacimlerinin büyüklüğü ihtiyacı gidermek için giderek artmaktadır. Bu da kazalar soucu yaşanacak felaketlerin boyutunu giderekarttırmaktadır. 2010 ve 2020 yılları arasında Dünya genelinde ham petrol taşımacılığında 7 ton ve üzeri 63 kaza meydana gelmiştir. Bu da 164.000 ton petrolün denize saçılması anlamına gelmektedir. Bu kazalardan kaynaklanan su kirliliği, ciddi çevresel ve ekolojik sorunlara yol açmış ve ekolojik çevre, insan sağlığı ve ulusal kalkınma için ciddi bir tehdit haline gelmiştir. Ayrıca, petrol endüstrisi, imalat endüstrisi, ilaç endüstrisi, gıda endüstrisi vb. olmak üzere çeşitli endüstriyel üretim proseslerinde yağlı atık su üretilerek ciddi su kirliliğine neden olmaktadır. Tüm bu petrol sızıntılarının neden olduğu su kirliliği acil bir sorun haline getirmiştir ve etkin çözümler gerekmektedir. Petrol sızıntılarından kaynaklanan ekolojik sorunları gidermek için uygun maliyetli temizleme yöntemlerine günümüzde büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Çevrenin korumasına duyulan ihtiyacın artması nedeniyle, yağ ve su ayrımı için bekleterek ayırma, köpük yüzdürme, filtrasyon, absorpsiyon, flokülasyon ve ultrasonik teknikler gibi çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Günümüzde uygulananmevcut teknikler arasında, absorban yoluyla fiziksel absorpsiyon ile suyun temizlenmesi etkili bir yol olarak tercih edilmektedir. Fiziksel absorpsiyon düşük maliyeti ve yüksek verimliliği nedeniyle petrol sızıntısını yüzeyden absorplayarak suyu temizleme potansiyeline sahiptir. Ayrıca çeşitli yağları ve organik kirleticileri sudan ayıran gözenekli yağ emici malzemelere karşı artan bir talep bulunmaktadır. Bu nedenle, verimli, uygun maliyetli, çevre dostu ve yaygın olarak uygulanabilir yağ emici absorbanların geliştirilmesi gerekmektedir.Son zamanlarda, üç boyutlu yapı, düşük yoğunluk, yüksek gözeneklilik, hidrofobiklik ve geniş spesifik yüzey alanı nedeniyle karbon fiber aerojeller büyük önem kazanmıştır. Bu nedenle, bu denli etkili bir absorbanları daha kolay, ekonomik ve çevre dostu bir şekilde üretmek üzere yeni çalışmalar yapılmaktadır. Son on yılda, biyokütleden elde edilen karbon bazlı aerojeller ucuz, sürdürülebilir ve çevreye zararsız olduğu için önemli bir ham petrol absorbanı olarak kabul edilmiştir. Biyokütlenin en önemli bileşenlerinden biri olan selüloz, dünyanın en çok bulunan doğal polimerdir. Milyarlarca yıllık doğal evrimin ardından selüloz eşsiz bir polimeridir. Bu nedenle selülozdan yapılan aerojeller sırasıyla toksik olmama, düşük maliyet, biyobozunabilirlik, iyi biyouyumluluk, iyi ıslanabilirlik ve kimyasal stabilite gibi özelliklere sahiptir. Saf selüloz lifli aerojellerin yüzeyi hidrofilik gruplara sahiptir, dolayısıyla doğrudan yağ ve su ayrımı için kullanılamaz.Bununla birlikte, yüksek sıcaklıkta karbonizasyon yoluyla hidrofilik gruplarının uzaklaştırılmasıyla hazırlanan karbon fiber aerojeller, iyi bir yağ-su ayrımı seçiciliğine sahiptir. Karbon fiber aerojeller yeni, üç boyutlu ve gözenekli karbon malzeme türü olarak, düşük yoğunluklu, yüksek yüzey alanlı, yüksek gözeneklilikli, yüksek elektriksel iletkenlik ve nano ölçekli yapı gibi çekici karakterlere sahiptir.Bu çalışmada yenilenebilir enerji kaynağı olan farklı biyokütle örneği (kestane kabuğu, yalancı akasya ve melez kavak) kullanılmıştır. Kestane kabuğu, yalancı akasya ve melez kavak ise hızlı büyüyen enerji ormancılığı için uygun biyokütle numuneleri olduğu için bu çalışmada seçilmiştir. Seçilen biyokütlelerden hidrofobik karbon fiber aerojeli üretmek amacıyla sırasıyla alkalinizasyon, ağartma, dondurarak kurutma ve karbonizasyon işlemleri uygulanmıştır. Elde edilen karbon fiber aerojeli düşük maliyetli, ultra hafif ve yüksek oranda geri dönüştürülebilir bir aerojel türüdür. Ayrıca karbon fiber aerojel üretiminde hammadde olarak biyokütle kullanılması da üretim maliyetinden önemli ölçüde tasarruf sağlamaktadır. Sadece melez kavak biyokütlesinin tanecik boyutunun etkisinin incelenmesi amacıyla 2-1µm, 1-500 µm, 500-250 µm, 250µm ve 100 µm altı olmak üzere beş farklı tanecik boyutuna öğütülmüştür. Yalancı akasya ve kestane kabuğu 250 µm altı tanecik boyutuna öğütülmüştür.Saf selüloz fiberin elde edilmesi için üç farklı işlem uygulanmıştır. Birincisi NaOH ile alkali muamelesidir. Bu çalışmada NaOH miktarının hidrofobiklik üzerine etkisinin incelenmesi amacıyla üç farklı miktar denenmiştir. Ağırlıkça %3, %5 ve %10'luk NaOH 250 µm altına öğütülmüş kestane kabuğuna ekstraksiyon sırasında uygulamıştır. Yalancı akasya ve melez kavak biyokütlelerine sadece ağırlıkça %5'lik NaOH uygulanmıştır. İkinci işlem selüloz fiberler ağartılmış ve son olarak inorganik tuzların giderilmesi için seyreltik HCl ile karıştırılmıştır.Daha az maliyetli ve daha güvenli olduğundan aerojel oluşturmak için dondurarak kurutma yöntemi tercih edilmiştir. Elde edilen saf selüloz-su çözeltisi homojenleştirildikten sonra sıvı azot ile dondurulmuş düşük basınç ve sıcaklık altında doğrudan katı fazdan gaz fazına süblime edilmek amacıyla freeze-dryer cihazına konulmuştur. Dondurarak kurutma sırasında malzemelerin mikro yapısı büyük ölçüde korunmuş ve sonuçta elde edilen aerojelin geniş bir yüzey alanı oluşmuştur. Karbonizasyon işlemi sırasında selüloz aerojellerden karbon olmayan atomların gaz halinde daha fazla uzaklaştırılmasına izin veren yavaş bir ısıtma hızı (5 °C min-1) kullanılmıştır. Dört kademeli ısıtma yapılmış her kademede (280 °C-700 °C-800 °C 900 °C) 2 saat bekleme süresi verilmiştir. Karbonizasyon işlemi sonucunda süperoleofilik ve hidrofobik karbon fiber aerojeller elde edilmiştir. Karbon fiber aerojellerin absorpsiyon kapasitesi ham petrol, ayçiçeği yağı ve dizel için kendi ağırlığının 25-94 katı arasında değişmektedir. Bu nedenle, karbon fiber aerojellerin yağ sızıntısı sorunlarıyla mücadele ederek gelecekteki petrol kazaları ve su arıtmaları için umut verici bir absorban olarak hizmet etmesi beklenmektedir. Yapılan deney ve analizlerin sonucunda, melez kavaktan üretilen beş farklı tanecik boyutlu karbon fiber aerojel, üç farklı NaOH oranıyla ekstrakte edilmiş kestane kabuğundan karbon fiber aerojeli veyalancı akasyadan üretilmiş karbon fiber aerojeli numunelerinin tümü hidrofobik ve temas açısı ölçüleri 112° ile 141° arasında değişmiştir. Yüzey temizleme testlerinde yüzeyden ham petrol, ayçiçeği yağı ve dizeli başarılı bir şekilde temizlemiştir. Ekstraksiyon sorası selüloz aerojellere ve karbon fiber aerojellere uygulanan XRD analizine göre selüloz aerojeller karakteristik selüloz Iβ kristalini gösterirken karbon fiber aerojellerin sonucunda bu kristal yapının bozulduğu karbonizasyon işleminin başarıyla gerçekleştiği gözlenmiştir. Yapılan FTIR analizi sonuçlarında karbonizasyon işlemi sonrası su tutucu grupların yapıdan uzaklaştığı ve sonuç olarak karbon fiber aerojelin hidrofobik olduğu görülmüştür.Tüm yapılan çalışmaların sonucunda elde edilen başarılı sonuçlardan dolayı, yenilenebilir ve doğada bol bulunan atık kaynakların değerlendirilmesi elde edilen karbon fiber aerojelinin gelecekte tanker kazalarında yayılan petrolü emerek suyun temizlenmesi ve arıtımı için umut verici bir aday olarak hizmet edebileceğini öngörülmüştür.
Torefiye edilmiş orman, deniz ve tarımsal biyokütle numuneleri kullanılarak atık sudan kurşun, krom ve kadmiyum giderimi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-04) Birgili, Buğra ; Açma, Hanzade ; 506201007 ; Kimya Mühendisliği

Ağır metallerin belirli konsantrasyonlar üzerinde toksik ya da eko-toksik özellik göstermeleri, yaşamsal olarak rol üstlenenler de dahil olmak üzere, nedeniyle ağır metaller ile ilişkilendirilmiş pek çok sağlık ve çevre sorunu ortaya çıkmıştır. Atık sular veya uçuşan inorganik partiküller ile ya da asit yağmurlarının toprak bileşiminden bu metalleri çözmesi ile ağır metaller denizlere ve yer altı sularına karışmaktadır. Sanayileşme ile birlikte gübreler, çimento sektörü, cam üretimi, çöp ve atık çamurlarının yakılması, termik santral ve otomobillerde fosil yakıtların yakılması gibi pek çok yaşamsal faaliyet ile ağır metaller yüksek konsantrasyonlarda doğaya salınmaktadır. Araştırmacılar, bu gibi faaliyetlerden gelen atık sulardaki ağır metalleri giderecek ucuz, etkili, kolaylıkla bulunan ve sürdürülebilir bir çözüm arayışı içerisindedir. Ülkemizin biyokütle kaynaklarının bu alanda kullanılma potansiyeli mevcuttur; ancak, bu biyokütle kaynaklarımızın torefiye işlemi gibi termal süreçlerden geçirilerek özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Torefiye işlemi, biyokütleyi 300 C'ye kadar inert atmosfer altında ısıtarak hemiselüloz yapılarını daha stabil hale getirir ve uçucu maddeleri azaltıp sabit karbon oranını arttırarak daha kaliteli ve hidrofobik özellik gösteren katı yakıt elde edilmesini sağlayan bir termal ön işlemdir. Ayrıca, nemin giderilmesi ve fiber yapının bozulması ile biyokütlede biyobozunma engellenir ve öğütülme daha kolay hale gelir. Bu çalışmada ülkemizden tarımsal biyokütle olarak çay üretim atığı, mısır atığı, üzüm çekirdeği; orman biyokütlesi olarak çam kozalağı ve orman gülü; deniz biyokütlesi olarak ise yosun numunelerinin kurşun, krom ve kadmiyum ağır metallerini atık sulardan arıtma amacıyla kullanılma potansiyeli araştırılmıştır. Bu kapsamda hem biyokütle numune hazırlama sırasında hem de ağır metal tutumu sırasında kontrol edilmesi gereken parametrelerden bir kısmı incelenmiştir. Biyokütle numunesinin hazırlanması sırasında torefiye işleminin etkisi, torefiye son sıcaklığı ve torefiye son sıcaklığında bekleme süresi; ağır metal ile adsorban malzemeyi yükleme sırasında ise sıcaklık, karıştırma hızı, ve çözelti ortamı pH değeri parametrelerinin Pb, Cr, Cd tutma kapasiteleri incelenmiş ve gruplar arasındaki farklar istatistiksel analiz ile belirlenmiştir. Ayrıca, biyokütlelerin tekrarlı kullanımı ve tutulan iyonları geri kazanım performansı da incelenmiştir. Karakterizasyon çalışmalarında XRD, SEMEDS, FTIR, Zeta potansiyeli, uçucu madde ve kül tayinleri yapılmıştır. İstatistiksel analiz sonuçlarına göre torefiye sıcaklığında 30 dakika bekleme süresi vermek, ağır metal tutma kapasitesine olumlu katkı sağlamaktayken, yüksek torefiye sıcaklıklarının anlamlı bir katkısının olmadığı bulunmuştur. Karıştırma hızının anlamlı bir katkısı görülmemiştir.Yükleme ortamı pH değerlerinden ise istatistiksel olarak önemli derecede farklı olanları, zeta potansiyelleri de göz önünde bulundurularak pH 3-5 aralığında çalışmanın optimum sonuç vereceği şeklinde yorumlanmıştır. Yükleme sıcaklığı olarak 50 ℃'de çalışmanın bu çalışma içerisinde istatistiksel olarak anlamı bir katkısının bulunmadığı ancak literatürdeki mevcut bulgularla uyumlu sonuç verdiği görülmüştür. XRD Analizi ile ağır metallerin adsorblandığı ve FTIR verilerine göre ise moleküler yapıda önemli bir değişiklik olmadığı ispatlanmıştır. Torefiye çay atığı biyokütlesinin performansını yitirmeden üç kere kullanılabilir olduğu ve tutulan ağır metallerin istenirse geri kazanılabildiği de gösterilmiştir.
Linyit, biyokütle ve karışımlarından elde edilen yanmaoranı değerlerine sıcaklığın etkisinin makine öğrenmesiile modellenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-04) Demir, Özge ; Yaman, Serdar ; 506171032 ; Kimya Mühendisliği

Dünyadaki endüstrileşme ve nüfusun artışı nedeniyle enerji ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Önümüzdeki 30 yıl boyunca enerji ihtiyacının %56 artacağı öngörülmektedir. Yüksek enerji verimliliğinden ve daha bol bulunmasından dolayı fosil kaynaklarının kullanımı oldukça yüksektir. 2019 yılında, birincil enerji kaynağı olarak en çok fosil kaynaklar kullanılmış olup, dünya çapında bu oran %80'den fazladır. Kömür dünyada bol ve yaygın olarak bulunan, en ucuz fosil kaynağıdır. Enerjisinin yüksek olması nedeniyle sanayi devrimine katkısı çok fazla olmuştur. Günümüzde hala ısı ve elektrik üretimi için birincil kaynak olarak kullanılmaktadır. Enerji verimliliği açısından avantajları olmasına rağmen, çevre açısından birçok dezavantajları bulunmaktadır. Kömür, karbon emisyonlarının ana kaynağı olmasından dolayı iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya neden olmaktadır. Çevre politikalarına rağmen, gelişmiş ülkelerde bile hala fosil kaynaklara bağımlılık devam etmektedir. ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA)'ne göre, küresel yıllık ortalama yüzey sıcaklığındaki 1 °C'lik artışın 0,3 °C'den fazlasına kömürün yanmasından yayılan CO2 neden olmaktadır. Türkiye, doğalgaz ve petrol rezervlerinin ihtiyacı karşılayacak düzeyde olmamasından dolayı dışa bağımlı durumdadır. Türkiye'nin milli enerji kaynağı ise linyit kömürüdür. Linyitler kalorifik değer açısından düşük olmasından dolayı linyiti biyokütle ile karıştırmak verimlilik açısından avantaj sağlamaktadır. Buna ek olarak linyitin çevreye olan zararlı etkileri de bu yolla azaltılmaktadır. Türkiye'de tarımsal artıkların kullanıldığı biyokütle enerjisi üretiminin 2016 yılından 2030 yılına kadar 2,8 Mtoe'den 4,9 Mtoe'ye çıkması beklenmektedir. Temiz enerjinin artması hem Türkiye hem dünya açısından önem arz etmektedir. Afşin – Elbistan linyiti Türkiye'deki en önemli birincil enerji kaynaklarından biridir. Linyit, düşük kömürleşme dereceli bir kömür olduğu için yüksek miktarda kül bırakma, kalorifik değerin düşük olması ve yüksek nem içeriği gibi sorunları beraberinde getirmektedir. Linyit gibi düşük kalitedeki kömürleri belli oranlarda biyokütle ile karıştırmak daha iyi sonuçlar elde etmek için önemlidir. Kömür ve biyokütle farklı özelliklere sahip olmalarına rağmen birlikte yakıldığında çevre, enerji verimliliği, maliyet ve risk açısından olumlu özellikler göstermektedir. Biyokütlede düşük miktarda azot ve kükürt bulunması NOx ve SO2 emisyonlarını önemli ölçüde azaltmaktadır. Biyokütle, fotosentez sırasında CO2 kullandığı için yakma sırasında oluşan CO2'in çevreye etkisi neredeyse yok denilecek kadar azdır. Kömür - biyokütle karışımları sayesinde iklim değişiklikleri önemli ölçüde azalmaktadır. Kömür, biyokütle ya da kömür - biyokütle karışımlarından elde edilen yakıtların özelliklerini iyileştirmek için yakma, piroliz ve gazlaştırma gibi dönüşüm prosesi teknolojileri uygulanmaktadır. Yakma, yakıt ve oksitleyici varlığında bazı durumlarda ise katalizör etkisiyle meydana gelmektedir. Piroliz, oksijen yokluğunda termal bozunmanın meydana gelmesidir. Isıtma hızı ve sıcaklığa bağlı olarak farklı ürünler meydana gelmektedir. Gazlaştırma, enerji elde edilecek katı ve sıvıların ısı etkisiyle gaza dönüştürülmesidir. Farklı sıcaklıklarda farklı fizikokimyasal olaylar meydana gelmektedir. Bu çalışmanın amacı, Elbistan linyiti ile fındık kabuğunun tek tek ve farklı oranlarda karıştırılıp yakılmasından elde edilen yakma oranı verilerinin sıcaklık değişkenine karşı en iyi modelini elde etmektir. Modelleri elde etmek amacıyla Python programlama dili içerisinde yer alan farklı kütüphaneler kullanılmıştır. Stasmodel Kütüphanesi içerisinde bulunan OLS fonksiyonu sayesinde Y bağımlı değişkeni ve X bağımsız değişkenleri tanımlanıp modelin eğitilmesi gerçekleştirilmiştir. "Effect of co-combustion on the burnout of lignite/biomass blends: A Turkish case study" isimli makalede yer alan deneysel çalışmada 423 K'den 1173 K 'e kadar her 50 K'lik sıcaklık değişimleri için yanma oranı verileri bulunmaktadır [1]. Veri seti olarak makale içerisinde yer alan linyit, biyokütle ve %2,4,6,8,10 ve 20 oranlarında linyit - biyokütle karışımlarının farklı sıcaklıklardaki deneysel yanma oranları kullanılmıştır. Sıcaklık ile linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki linyit – biyokütle karışımlarının korelasyonları 1'e oldukça yakın çıkmıştır. Bu da linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki karışımlarının sıcaklık ile arasında güçlü bir etkileşim olduğunu ve pozitif korelasyondan dolayı sıcaklık arttıkça yanma oranı değerlerinin arttığını göstermiştir. Korelasyon değerleri karşılaştırıldığında en yüksek değerin linyit için, en düşük değerin ise biyokütle için ortaya çıktığı bulunmuştur. Linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki karışımları için denenen modeller arasından en iyi olanı seçmek için R^2 ve ayarlanmış (adjusted) R^2 değerleri oldukça yüksek, % hata oranları ve MSE değerlerinin ise düşük değerli olmasına dikkat edilmiştir. Modellerin ANOVA, MS ve F değerlerine bakılarak grupların ortalamaları arasında fark olup olmadığı tespit edilmiştir. Sonuçlar dikkate alınarak sıfır hipotezi reddedilerek alternatif hipotez kabul edilmiştir. Bunlara ek olarak, numunelerin teorik değerlerindeki sapmaların negatif ya da pozitif olmasına göre sonuçlar değerlendirilmiştir.
Synthesis of zeolite A coatings

(Graduate School, 2022-02-10) Bayrak, Arzu ; Erdem, Ayşe ; 506181001 ; Chemical Engineering

Zeolites are microporous crystalline hydrated aluminosilicates with pores of molecular sizes in their framework. Zeolite A is a hydrophilic synthetic zeolite with the lowest Si/Al ratio possible for zeolites, which is 1 and has a 3-dimensional pore structure with effective pore diameter about 4 Å. During zeolite synthesis, an amorphous reactant mixture is converted into microporous crystalline product. In addition to the conventional powder and pellet forms, zeolites can be synthesized on various surfaces as coatings via different synthesis methods. These coatings may be used in separation and heating-cooling applications. Zeolite coatings prepared for use in separation applications, should be continuous thin coatings without defects. Two new methods developed recently in our laboratory for the preparation of zeolite coatings are conduction heating and induction heating methods. The main idea of these methods is that the substrate is heated by conduction or induction and the synthesis solution is kept at a lower temperature than the surface temperature of the substrate. In this way, crystallization on the substrate is favored with respect to that in the synthesis solution. The induction heating method was observed to be suitable for use in large-scale applications. The purpose of this study is to test the applicability of the induction heating method to the preparation of thin zeolite A coatings on cylindrical metal substrates that may be suitable to be used in separation applications. The effects of different substrate types and system/synthesis parameters on the properties and performance of the synthesized zeolite A coatings are examined. Different cylindrical metal substrates to be used in the coating experiments were designed and constructed with various types of 316L stainless steel wire mesh sheets. Zeolite A coatings were prepared by heating the metal substrate with induction power in a circulating synthesis solution system. The prepared coatings were weighed and their mass equivalent thickness values were calculated. The samples taken from the coatings were analyzed by thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction (XRD) techniques. Nitrogen permeabilities of the coatings were also measured. Before the synthesis experiments, the dependence of reactor inlet and outlet temperatures and thus the temperature difference obtained across the reactor on other system parameters are determined with the help of calibration experiments carried out using water instead of synthesis solution. Zeolite A coating synthesis experiments were started by testing different substrate types, 24x110/500 (single outer layer), 24x100/500/500 (double outer layers) and 24x110/200x1400. An additional zeolite phase besides LTA, the LTN phase, was also seen to be present in smaller amounts, in the coatings obtained in these preliminary experiments. 24x110/200x1400 was observed to be the substrate type on which the most preferable coatings with lower amounts of LTN phase, and lower permeance and thicknesses values were obtained. For this reason, zeolite A coating experiments were continued using 24x110/200x1400 substrates. When experiments at different flow rates were conducted, it was observed that thinner and more closed coatings could be obtained using lower flow rates. For the investigation of the effects of inlet-outlet temperatures on the coating properties, experiments at different reactor inlet-outlet temperatures in the range of 30-35 to 55-60 °C, for two different synthesis times of 3 and 5 hours, were carried out. The coating thickness increased with the increase in reactor inlet and outlet temperatures, for both synthesis times. The gas permeance, however, seemed to decrease with the increase in coating thickness at low thickness values, while it started to increase again above coating thickness values of about 100 µm, for both synthesis times. In order to optimize the effects of reactor inlet-outlet temperatures to prepare thinner coatings with lower permeabilities, running the experiment in stages with different reactor inlet-outlet temperatures was attempted and successfully achieved. The smallest equivalent thickness obtained was 210 µm for the only coating synthesized with a gas permeance value lower than 10-9 mol/m2.s.Pa, in these initial two staged experiments. This coating was obtained with 3 hours of first stage at reactor inlet-outlet temperatures of 45-50°C, followed by 2 hours of second stage at reactor inlet-outlet temperatures of 55-60 °C. Two staged synthesis approach was further investigated by keeping one of the first or second stages same and changing the reactor inlet-outlet temperatures of the other stage. The change in reactor inlet-outlet temperatures in the second stage affected the coating thickness more significantly, while it affected the gas permeance less. The effect of the temperature change of the first stage against the temperature change of the second stage was more striking. As the temperature of the first stage increased in the range tested in these experiments, both the coating thickness and the gas permeance values decreased. The coating obtained from the experiment with the reactor inlet-outlet temperatures of 45-50 and 50-55 °C in the first and second stages, carried out for 3 and 2 hours, respectively, was observed to have an equivalent thickness value of 112 µm, almost half the value of 210 µm for the previous coating obtained at 45-50 and 55-60 °C. The actual effective thickness value of the coating across which gas permeation takes place is expected to be lower than the equivalent thickness value calculated, for the substrates used in this study. Both of these coatings had sufficiently low gas permeance values lower than 10-9 mol/m2.s.Pa. Finally, the results of XRD and TGA analyses revealed that both of these coatings were highly crystalline zeolite A coatings.
Antarktika buzullarında kimyasal analizler

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-05-16) Özcan Neşe, Gamze ; Güner Genceli, Fatma Elif ; 506181003 ; Kimya Mühendisliği

Dünya'nın iki uç kutup noktalarında bulunan Arktik ve Antarktik Kutup Bölgeleri bilim dünyası için oldukça önemlidir. Arktik donmuş bir okyanus olarak tanımlanırken, Antarktika ise bir kıta olarak tanımlamaktadır. Bu bölgelerde bulunan buzullar bilim dünyası için eşsiz kaynaklar oluşturmaktadır. Buzullar, içeriğinde bulunan safsızlıkları binlerce yıl boyunca saklayabilmektedir. Bu safsızlıkların keşfedilmesi ile tarihsel ve iklimsel süreç hakkında yorum yapılabilmektedir. Böylece geçmişten günümüze birçok bilinmeyeni çözmeyi sağlayabilmektedir. Buzullar sadece jeoloji, kimya ve iklim bilimleri olarak değil, canlı bilimi ve uzay bilimleri gibi çok çeşitli konuları da kapsamaktadır. Dünya üzerinde en son keşfedilen kıta Antarktika'dır. Antarktika oldukça soğuk iklime sahip olup, kıtanın %97.5'unu buzullar oluşturmaktadır. Ayrıca, dünyadaki buzulların yaklaşık %90'ı bu bölgede bulunmaktadır. Antarktika kirlenmemiş bölge olarak tanımlansa da aslında gerçek tam olarak öyle değildir. Bölgedeki insan faaliyetlerinin artması ve çeşitli yollarla bu bölgere ulaşan safsızlıklar bölgeyi kirletmektedir. Bölgedeki safsızlıkların temel sebebi karasal kaynaklı, deniz tuzu kaynaklı ve biyojenik ve antropojenik kaynaklı olmaktadır. Bunlara ek olarak, volkanik patlamalar sonucu açığa çıkan kül bulutları ile safsızlıklar kutup bölgelerine taşınmaktadır. Bu gibi sebeplerle yapılan bazı çalışmalarda Antarktika'da bazı bölgelerde ağır metaller ve organik bileşiklere rastlanmıştır. Yapılan çalışmada, Antarktika'da bulunan Horseshoe Adası, Hovgaar Adası ve Nansen Adası'ndan farklı konum ve farklı derinliklerden alınan 7 adet buzul karot numunesindeki safsızlıklar ve olası kaynakları incelenmiştir. Safsızlık analizleri için IC, ICP-MS ve Mikro-Raman Spektroskopisi yöntemleri kullanılmıştır. Analizlere başlamadan önce toplanan 7 adet buzul numuneleri kodlanmıştır. Analizler ve yorumlar bu kodlamaya göre yapılmıştır. Buzulların erimesi, analizlerin doğruluğunu olumsuz yönde etkilediği için istenmeyen bir durumdur. Bu yüzden analiz öncesi ve sonrası tüm işlemlerin soğuk ortamda gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu fikirden yola çıkarak, 2019 yılında proje kapsamında İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü bünyesinde 'Soğuk Oda Laboratuvar' açılışı gerçekleşmiştir. Analiz öncesi ve sonrası tüm işlemler bu laboratuvarda gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak buzulların her türlü nakliye işlemi kuru buz ile sağlanmıştır. IC analizi ile her bir buzul numunesindeki iyonlar belirlenmiştir. Analiz ile buzulların içerindeki F-, Cl-, NO3-, Br-, NO3-, SO4-2 anyonları ile Na+, NH4+, K+, Mg+2, Ca+2 katyonların konsantrasyonları ölçülmüştür. Cl-, NO3-, SO4-2, Na+, K+, Mg+2 ve Ca+2 iyonları tüm buzul numunelerinde görülürken, geri kalanlar ise tüm numunelerde görülmemektedir. Tespit edilen iyonların olası kaynakları litaratürdeki deniz tuzu ve karasal kabuk kütle oranları ile belirlenmiştir. Referans iyon olarak sodyum ve kalsiyum iyonları seçilmiştir. Deniz tuzu kaynaklı sodyum iyonu ve karasal kaynaklı kalsiyum iyonlarının konsantrasyonları hesaplanmıştır. Referans iyonlar ile diğer iyonların kütle oranları kullanılarak iyonların kaynağı hakkında yorum yapılmıştır. Bu oranları karşılamayan iyonların alternatif olası kaynakları araştırılmış ve olası sebepleri çıkarılmıştır. Sülfat, nitrat ve flor iyon konsantrasyonları olası volkanik patlamaları göstermektedir. Bu iyonların hesaplamaları ve diğer iyonlarla korelasyonları ile volkanik patlama kaynaklı olup olmadığı tartışılmıştır. Elde edilen sonuçta bir numunede volkanik patlama kaynaklı safsızlıklar görüldüğü çıkarımı yapılmıştır. ICP-MS ile tüm buzul numunesindeki Na, Mg, Al, P, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Cs, Ba ve Pb elementlerin konsantrasyonları belirlenmiştir. Na, Mg, K ve Ca elementleri, IC ile de ölçüldüğünden iki ölçüm arasında oransal kıyaslama yapılmıştır. 7 karot numunesi için IC/ICP-MS oranı hesaplanmış ve buzulların homojenlikleri incelenmiştir. ICP-MS ile tespit edilen deniz tuzu kaynaklı ve/veya karasal kaynaklı olduğu düşünülen elementlerin olası kaynakları incelenmiştir. Bu elementler hem geçmiş yıllarda yapılan çalışmalarına göre seçilmiş hem de litaratürdeki üst kabuk elementleri ve deniz tuzu elementlerine göre belirlenmiştir. İnceleme sırasında Kabuksal Zenginleştirme Faktörü (EFc) ve Okyanus Zenginleştirme Faktörü (EFo) değerleri hesaplanmıştır. Hesaplama için referans element EFc için Baryum seçilirken, EFo için Sodyum seçilmiştir. EFc sayısal değeri 10'dan küçük olması halinde karasal kaynaklı olması, EFo sayısal değeri 10'dan küçük olması halinde deniz tuzu kaynaklı olması yorumlanmıştır. Her iki koşulu da sağlayanlar hem deniz tuzu kaynaklı hem karasal kaynaklı olduğu belirlenmiştir. EFc ve EFo sınır değerlerini sağlamayan elementler için olası kaynaklar litaratür olarak incelenmiş ve yorumlanmıştır. Litaratür araştırılması yapıldığında, bazı elementlerin ve ağır metallerin kaynağının volkanik patlama olduğu görülmüştür. Volkanik emisyonların metal/S oranları ile volkanik metal katkılarını hesaplamak mümkündür. Ancak kükürt miktarı bilinmediği için EFc ve/veya EFo değerlerinden yararlanılmıştır. Sınır değerleri sağlamama durumunda volkanik patlama kaynaklı olabileceği ihtimali üzerinde durulmuştur. Elde edilen sonuç, IC sonucu ile karşılaştırılmış ve bir tane numunedeki iyon ve elementlerin volkanik patlama sonucu açığa çıktığı kesinleşmiştir. Yapılan araştırma ile buzul karotların yaşlarının yaklaşık 10 yıllık olduğu tahmin edilmektedir. 2018 yılında toplanan bu buzulların hangi volkanik patlamadan meydana geldiğini bulmak için 2008-2018 yılları arasında meydana gelmiş olan volkanik patlamalar incelenmiştir. Volkanik Patlama İndeksi (VEI) baz alınarak bir çok patlama aktivitesi olduğu görülmüştür. Ancak buzulların tam yaşı bilinmediği için bunlarla ilgili kesin yorum yapılamamış ve genel bir bilgi olarak verilmiştir. Safsızlık analizlerinin son kısmında Mikro-Raman Spektroskopisi ile analizler yapılmıştır. Bunun için ölçüm sistem ve prosedürü sıfırdan kurulmuş ve problemler belirlenmiştir. Bu problemler giderilmiş ve cihaz buz ölçümleri için hazır hale gelmiştir. Buzul analizlerine geçmeden önce laboratuvar ortamında hazırlanan buz numuneleri ile optimum koşullar belirlenmiştir. Bu koşullar buza en az zarar verecek deneme-yanılma yöntemiyle belirlenmiş ve buzul analizleri için uygun hale getirilmiştir. Bu optimum ölçüm koşulları, %10 lazer gücü ve 5 saniye maruz kalma süresi olarak belirlenmiştir. Saf su dondurulmuş ve spektroskopisi çekilmiştir. Yapılan litaratürsel araştırma yardımıyla buz ve hava kabarcığı pikleri belirlenmiştir. Sistem ve koşullar uygun hale getirildikten sonra Antarktika buzullarından alınmış 3 farklı numune için Mikro-Raman Spektroskopisi ölçümleri alınmıştır. 5x mikroskop ile buzulların içinde görülen safsızlıkların görüntüleri çekilmiş ve optimum koşullar ayarlanıp spektral pikler elde edilmiştir. Son olarak, Antarktika buzullarına ait 3 farklı numune için uzak çalışma 50x mikroskop yardımıyla optimum koşullarda Mikro-Raman Spektroskopisi ölçümleri alınmıştır. Buzulların içindeki safsızlıkların görüntüleri çekilmiş ve spektral pikler analiz için kaydedilmiştir. Spektral pikleri yorumlamak için cihazın kütüphanesi yeterli gelmemektedir. Bu da çalışmanın en temel eksiğini oluşturmaktadır. Bu yüzden ileriki çalışmalarda bu piklerin yorumlanması için litaratürsel araştırmalar ile olası safsızlıklar tanımlanması çalışılacaktır.
Biopolyester / natural polymer blends for biomedical applications

(Graduate School, 2022-05-22) Turan, Cansu Ülker ; Güvenilir, Yüksel ; 506152001 ; Chemical Engineering

In this thesis, it is aimed to fabricate an antibiotic delivery system with optimal release kinetics that will overcome this problem. In recent years, fabrication of biocompatible electrospun nanofibers for drug delivery applications is the subject of increased interest, since they mimic the extracellular matrix, provide high surface area, and controlled drug release. In the present study, natural polymers (gelatin or both gelatin and chitosan) were blended with enzymatically synthesized biopolyester, poly(ω-pentadecalactone-co-ε-caprolactone) copolymer (PDL-CL), in order to obtain a synergetic effect. By the use of synthetic and natural polymers together, it was aimed to combine well-defined degradation and mechanical properties of a synthetic polymer with biocompatibility, cell adhesivity, and ability of site-specific delivery due to their functional groups of natural polymers. In this way, PDL-CL/gelatin and PDL-CL/gelatin/chitosan nanofibrous membranes were fabricated for controlled delivery of tetracycline hydrochloride (TCH) which is a commonly preferred antibiotic for treatment of skin infections resulted from a cut, burn or surgical operation. PDL-CL copolymer was synthesized by the catalysis of a home-made immobilized enzyme, Candida antarctica lipase B (CALB) immobilized onto rice husk ashes (RHA) via physical adsorption. Lipase-catalyzed copolymerization studies are limited and there is an increasing interest to improve material features by this way. Moreover, utilization of an enzymatically synthesized polymer rather than a polymer synthesized by organometallic catalysts in a formulation that will be used for a biomedical application may be advantageous, since the resulting product will be metal-free. Electrospinning of an enzymatically synthesized polymer is a challenging issue due to their low molecular weights, therefore studies that cover fabrication of electrospun nanofibrous drug delivery systems using an enzymatically synthesized polymer are limited in literature.
Preparation methods and promoters effects on α-Al2O3 supported Fe-Mn based FT catalysts for light olefin production

(Graduate School, 2022-06) Atik, Özge ; Gür Gümüşlü, Gamze ; 506171047 ; Chemical Engineering

Most countries do have not sufficient fossil resources. So, they need to develop alternative and environmental processes to prevent their dependence on other foreign countries, and also reduce carbon emissions. Fischer-Tropsch synthesis was developed in Germany in 1923 with the increasing demand for liquid fuel during World War. Fischer-Tropsch (FT) which process is the conversion of synthesis gas (CO, H2) has become one of the most important processes for industry. It is possible to obtain a wide range of products with Fischer-Tropsch catalysts from single-carbon methane to more carbon-containing products. These hydrocarbons obtained can be subjected to various processes and then converted into fuels and convenient chemicals. Hydrocarbons obtained as a result of Fischer-Tropsch synthesis also do not contain harmful chemicals and contain a small amount of aromatic structure compared to known fuels. The most important member of the hydrocarbons belonging to the organic compound's family are olefins known as alkenes. Olefins are divided into two main groups light olefins (C2-C4) and heavy olefins (C5+) according to the number of carbons they contain. Light olefins which are the raw materials of many products we encounter many times in our daily lives are very important components of the chemical industry. Commonly preferred metals for Fischer-Tropsch catalysts are iron, nickel, cobalt, and ruthenium. Iron-based catalysts are much cheaper than other active-metal-based catalyst. Also produces less methane and higher amounts of olefins. The product selectivity of the catalyst depends on many factors such as promoter, support material, and also many other parameters (for example; flow, pressure and gas composition, etc). The subject of this study, "Development of Catalyst and Reactor for the Production of Light Olefin from Cleaned Synthesis Gas" is a project carried out together with TUBITAK-MAM Energy Institute and ITU SENTEK Catalysis Laboratory. Within the scope of the project, iron was selected as the active metal due to its many advantages, and a catalyst was developed. In this work, the effect of promoter and solvent-aided impregnation on FT-Olefin synthesis performance was investigated for 15% Fe-based alumina-supported catalysts. In the synthesized 50 different Fe-based α-Al2O3 supported catalysts manganese (Mn), copper (Cu), potassium (K), and nickel (Ni) were used as promoters. These catalysts were prepared using three different solvents in the impregnation step. So in this work, we examined the catalyst preparation method (solvent effect) and promoter effects. Catalyst performances were tested in the atmospheric and high-pressure test systems at 310 ⁰C, H2/CO=2. After the atmospheric tests, the best catalysts were selected and tested in a high-pressure test system at 10 bar at 310 ⁰C in the flow of H2/CO=2. After performance tests, the catalysts were characterized to explore catalysts' behavior physically and structurally by these characterization methods; Brunauer–Emmett–Teller (BET), X-ray diffraction (XRD), H2-Temperature Programmed Reduction (H2-TPR), Scanning Electron Microscope (SEM). In this study, Mn which has been studied extensively in the literature as it enhances the light olefin selectivity was selected as the first promoter. Different Mn percentages (x= 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) by molecular weight were tested and the highest light olefin selectivity and CO conversion were observed in 0.3 wt.% Mn. After choosing the optimum amount for the Mn promoter, the effect of Cu, Ni, and K metals on 15Fe0.3Mn/α-Al2O3 with the amounts as x= 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 weight percent was investigated. It was observed that the best results for Cu, Ni, and K promoters were 0.5 weight percent. To analyze the solvent effect on catalyst preparation isopropyl alcohol, n-pentane, and deionized water was used in this study. The addition of Mn promoter to iron catalyst (15Fe0.3Mn/α-Al2O3) increased olefin selectivity by 25% compared to unpromoted catalyst. CO conversion of Mn-promoted catalyst prepared with n-pentane was higher and more stable than the unpromoted sample. 15Fe0.3Mn/α-Al2O3-NP had 63% CO conversion. Cu loading had positively affected the catalyst olefin selectivity and CO conversion. Cu promoter led to catalyst stability and higher reaction performance. Cu-promoted catalysts` CO conversions are equal to 88 and 93 for water and pentane, respectively. The highest olefin selectivity and olefin-to-paraffin ratio among all catalysts in this work belong to the K-promoted catalyst. The olefin selectivity and olefin to-paraffin ratio are 49.83% and 7.3% respectively. The addition of Ni shifted the product selectivity to paraffin and CH4. Ni promoted catalysts paraffin ratio equals 30% which has the highest paraffin selectivity. The catalyst promoted with Cu and K (15Fe0.3Mn0.5Cu0.5K) showed synergistic interaction including the stability and activity decrease from the K promoter effect but the Cu promoter balanced the CO conversion. The K promoter prevented the secondary hydrogenation reactions so the olefin selectivity and O/P ratio increased. In this context, for industrial applications, A0.5Cu and A0.5K catalysts were chosen due to the CO conversion, high olefin selectivity, low methane selectivity, and high olefin to paraffin ratio during the catalyst performance tests.
Grafen/kalay esaslı nanokompozitlerin lityum iyon pillerde anot malzemesi olarak kullanımının incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-07) Alp, Selin ; Yavuz, Reha ; 506161032 ; Kimya Mühendisliği

Dünya nüfusundaki artış ve sürekli gelişim içerisinde bulunan teknolojiye bağlı olarak enerji ihtiyacı da artmaktadır. Özellikle taşınabilir elektronik cihazlar, otomobiller için sürdürülebilir enerji kapsamında depolanma teknolojileri gelişmektedir. Elektrikli otomobiller, hibrit otomobiller, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları gün geçtikçe yaygınlaşmakta ve şarj/deşarj süreleri de daha önemli hale gelmektedir. Tüm bu gelişmelerle birlikte çevrenin korunması da önemli olmaya devam etmektedir. Lityum iyon piller, endüstride enerji güvenilirliğini arttırarak mevcut kaynakların verimli kullanılmasını sağlamakta olup, bu alandaki çalışmalar ve yatırımlar gün geçtikçe artmaktadır. Bu nedenle, lityum iyon pilin maliyet, çevrim ömrü ve güvenlik bakımından iyileştirilmesi amacıyla, mevcut pillerin özellikleri geliştirilerek yüksek enerji yoğunluklu ve uzun çevrim sayısına sahip anot malzemeler konusunda ağırlıklı olmak üzere muhtelif çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Lityum iyon piller, sahip oldukları yüksek enerji/güç yoğunluğu, uzun ömür ve düşük maliyet gibi nedenlerle, enerji depolama sistemlerinde taşınabilir enerji kaynağı olarak tercih edilmektedir. Lityum iyon pillerin performansı, pillerde kullanılan bileşenlerin çeşidi ve verimliliğine bağlı olarak değişim göstermektedir. Pil kapasitesinin artırılması, şarj-deşarj sürelerinin verimli hale getirilmesi için anot ve katot kısımlarında çeşitli malzemeler kulanılmak suretiyle deneysel çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Lityum iyon pillerde en yaygın olarak kullanılan anot malzemesi grafendir. Silisyum (Si), kalay(Sn) gibi anot niteliğine sahip diğer bazı malzemeler ile karşılaştırıldığında, daha az spesifik kapasiteye sahip olmasına rağmen grafit, yapısal olarak daha kararlı ve uzun ömürlü olduğundan anot malzemesi olarak kullanımda tercih edilmektedir. Ancak grafitin enerji kapasitesinin oldukça sınırlı olması nedeniyle, grafitin doğrudan anot malzemesi olarak kullanılacağı lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu, taşınabilir elektronik cihazların enerji ihtiyacını karşılayamaz nitelikte olmaktadır. Grafen ise grafitten elde edilen olağanüstü özelliklere sahip bir malzeme olup, kimyasal olarak kararlı ve yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. Bunun yanı sıra iyi mekanik ve ısıl iletkenlik özelliklerine sahip olması nedeniyle, kompozit anot malzeme sentezleme çalışmalarında baz elektrot olarak tercih edilmektedir. Tez çalışması kapsamında, İstanbul Teknik Üniversitesi – Enerji Enstitüsü, Malzeme Üretim ve Hazırlama Laboratuvarı'nda grafitten grafen (rGO) elde edilerek, kalay oksit katkılandırma ile farklı oranlarda grafen-kalay oksit nanokompozit anot malzemeleri üretilmiş ve pil yapımında kullanılmak suretiyle de söz konusu malzemelerin kapasiteleri incelenmiştir. Elde edilen malzemeler, taramalı elektron mikroskopu (SEM), termogravimetrik analiz (TGA) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Ayrıca, malzemelerin pil performansını değerlendirmek amacıyla sentezlenen malzemelere şarj-deşarj kapasite ölçümü, dönüşümlü voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri uygulanmıştır.

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri