Sıvı yakıtlardan indolün giderilmesi için metal organik kafes yapılarından karbon bazlı adsorbanların türetilmesi

Abstract

Dünya nüfusunun günden güne artmasıyla beraber, enerjiye olan ihtiyacımız da artmaktadır. Fosil yakıtlar ve fosil yakıtlardan üretilen, mazot, benzin, jet yakıtı gibi ürünler bu enerji kaynaklarının başında yer almaktadır. Bu yakıtlar içerisinde çeşitli azotlu ve kükürtlü kirleticiler bulunmakta ve çevre kirliliğinin önlenmesi için bu kirleticilerin yakıtlardan uzaklaştırılması gerekmektedir. Azotlu ve kükürtlü bileşiklerin yakıtlardan uzaklaştırılması için hidrojen kullanımı, ekstraksiyon, oksitleyicilerin kullanımı, adsorpsiyon, biyolojik yöntemler gibi çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemler çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Örneğin hidrojen ile azot ve kükürt giderme yöntemi, yüksek miktarda hidrojen tüketen ve pahalı katalizörler gerektiren bir yöntemdir. Biyolojik yöntemde kullanılan bakteriler ise çevreye karşı hassas olmakla birlikte çok fazla literatür çalışması bulunmayan bir yöntemdir. Adsorpsiyon ise basit işletme teknolojisi, çevre dostu olması ve adsorban çeşitliliği sayesinde tercih edilen bir yöntemdir. Adsorban olarak, metal organik kafesler de dahil olmak üzere, killer, zeolitler, aktif karbon gibi çeşitli adsorbanlar kullanılabilmektedir. Metal organik kafeslerin, geniş yüzey alanı, farklı gözenek boyutuna sahip olabilmeleri gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca, sentezlerinde kullanılan metal ve organik kısımların da çeşitli olması metal organik kafeslere olan ilgiyi arttırmaktadır. Bu çalışmada, UiO67 metal organik kafesin farklı sıcaklık ve sürelerde azot atmosferi altında ısıl işlemden geçirilmesiyle türetilen adsorbanların azotlu bir bileşik olan indolün giderilmesinde kullanılması amaçlanmıştır. UiO67 metal organik kafesi metal kısım olarak zirkonyum, bağlayıcı olarak H2BDC (teraftalik asit), H2PDC (4-4'-bifenil-dikarboksilik asit) ve çözücü olarak DMF (dimetil formamid) kullanılarak sentezlenmiştir. UiO67, 400°C ve 600°C'de 2 ve 6 saat süreyle kül fırınında azot atmosferi altında ısıl işlemden geçilerek UiO67-400(2), UiO67-400(6), UiO67-600(2), ve UiO67-600(6) karbon bazlı adsorbanlar türetilmiştir. Elde edilen adsorbanların karakterizasyonu için taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometresi (FTIR), termogravimetrik analiz (TGA) ve X-ışını difraktometresi (XRD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon işlemlerinde model yakıt olarak kullanılmak üzere [oktan:paraksilen(3:1)] karışımı hazırlanmıştır. Hazırlanan model yakıt içerisine konsantrasyonu 10 mg/L olacak şekilde indol eklenmiştir. Adsorpsiyona etki eden adsorban miktarı, adsorpsiyon süresi, sıcaklık, başlangıç adsorbat konsantrasyonu parametreleri araştırılmış; kinetik ve izoterm çalışmaları gerçekleştirilmiştir. FTIR analizlerinde 400°C'de ısıl işlemden geçirilerek türetilen adsorbanlarda benzen halkası bağlanma bölgesinde (C=C) şiddetli pikler gözlemlenmiştir. Bu durum 400°C'de adsorbandaki nem, organik bağlayıcılar gibi safsızlıkların uzaklaştırıldığını ve aktif bir adsorban türetildiğini göstermektedir. SEM analizlerinde UiO67 adsorbanında küçük kristal yapılar gözlemlenmiştir. Diğer türetilen adsorbanların SEM analizlerinde ise yüzeylerinin düzensiz ve heterojen bir yapıda olduğu görülmüştür. TGA analizlerinde, 500°C sıcaklıktan sonra adsorbanlarda büyük miktarda ağırlık kaybı meydana geldiği gözlemlenmiştir. Adsorban miktarı çalışmalarında, en yüksek adsorpsiyon kapasiteleri 1 mg adsorban miktarında hesaplandığı için adsorpsiyon çalışmalarında 1 mg adsorban kullanılmıştır. Adsorban-adsorbat temas süresi çalışmalarında, adsorbanların adsorbat ile dengeye gelme süresi 120 dakika olarak belirlenmiş ve adsorpsiyon deneyleri 120 dakika süreyle gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık etkisi çalışmalarında, en yüksek adsorpsiyon kapasiteleri 25°C de hesaplandığı için indol adsorpsiyonu 25°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. İzoterm çalışmalarında, 400°C'de ısıl işlemden geçirilerek elde edilen adsorbanların adsorpsiyon kapasitelerinin azot atmosferi altında ısıl işlemden geçirilmemiş UiO67'ye göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. 600°C'de ısıl işlemden geçirilerek türetilen adsorbanlarla ise adsorpsiyonun diğer adsorbanlara göre daha yavaş dengeye geldiği gözlemlenmiştir. Kinetik çalışmalarında indolün UiO67 ve UiO67'den türetilen karbon bazlı adsorbanlar üzerine adsorpsiyonun yalancı birinci kinetik model ile; izoterm çalışmalarında Freundlich ve Dubinin Radushkevich modelleriyle uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır. Desorpsiyon çalışmalarında UiO67-600(6) adsorbanı üzerindeki indol %58.59 verimle giderilmiştir. Geri kazanılan UiO67-600(6) adsorbanıyla yapılan ikinci adsorpsiyonda ise başarılı bir sonuç elde edilememiştir.