Theses supervised by Doç. Dr. Hatice Duran Durmuş
17 theses · TOBB Economics and Technology University
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrallerinde kullanılmak üzere termofiziksel özellikleri iyileştirilmiş nitrat bazlı tuz eriyik/nanogözenekli alumina membran kompozit yapıların tasarlanması
Çevre bilincinin gelişmesi ve mevcut enerji teknolojilerinin optimizasyonu o kadar önemli hale geldiki tuz eriyiklerin benzersiz fizikokimyasal özelliklerinden dolayı hem ısı transfer ajanı (ITA) hem de termal enerji depolama (TED) akışkanı olarak çok çeşitli uygulamalar için kullanımları tekrar gündeme gelmiştir. Çünkü, tuz eriyikler ve bunların karışımları, düşük viskozite, düşük buhar basıncı, düşük maliyet, yüksek kimyasal kararlılık ve çevre dostu olmaları gibi önemli avantajlarından dolayı bir endüstriyel akışkan için istenilen tüm özelliklere sahiptirler. Günümüzde bu eriyikler çalışma sıvısı olarak nükleer enerji santralleri , kimya endüstrisi , petrol rafinerileri ve yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (YGE) santralleri gibi birbirinden çok farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm bu uygulamalarda, kullanılan tuz karışımı türü ve oranları kullanım alanlarına göre seçilmektedir. Uygun bir ITA ve TED malzemesinin seçilmesi, güneş ışını alıcısının, termal depolama tanklarının ve ısı değiştiricilerinin maliyetini en aza indirmek ve yüksek termodinamik verimlilik elde etmek için önemlidir. Mevcut erimiş tuz ITA'ları yüksek erime noktalarına (> 200°C) sahiptir ve 600°C'nin üzerinde bozunmaya başlar. Bu uygulamadaki ana sorun, tuz eriyiklerin akşamları veya kış aylarında kolayca donabilmesi ve bu durumda boru hattını tıkayarak çalışma koşullarını zorlaştırmasıdır. Bu nedenle, daha düşük bir erime noktasına ve daha yüksek bir termal stabiliteye sahip ucuz tuz eriyik bileşimlerinin geliştirilmesi, YGE santrallerinin hem termodinamik veriminin arttırılmasında hem de çalışma koşullarının iyileştirilmesinde önemlidir. Bu tez çalışmasında düşük erime noktası (< 200°C) ve yüksek termal iletkenlik elde etmek için yeni bir nanoyapılı tuz eriyik tasarlanmıştır. Farklı gözenek büyüklüğüne (25 ile 400 nm arasında) sahip anodik alümina oksidin (AAO) içerisine yerleştirilmiş potasyum nitrat (KNO3), sodyum nitrat (NaNO3) ve bunların ötektik karışımlarının (Solar Tuz, kütlece 60% NaNO3 - 40% KNO3) termal ve yapısal özelikleri incelenmiştir. Hazılanan AAO/tuz kompozit yapının termal karakterizasyonu diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal özellikler analizörü (TPS) ile yapısal karakterizasyonu ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. DSC ile yapılan karakterizasyonda, AAO porlarına sıkıştırılan KNO3, NaNO3 ve ötektik karışımın erime sıcaklıklarında ani bir düşüş gözlemlenmiştir. DSC souçlarına göre AAO/KNO3 ve AAO/Solar Tuz kompozit yapısında por çapına bağlı sistematik bir düşüş gözlemlenmemiştir ancak AAO/NaNO3 kompozit yapısında por çapı arttıkça erime sıcaklığının daha fazla düştüğü gözlemlenmiştir. En fazla erime sıcaklığı düşüşünün 173°C ile 400nm por çapına sahip AAO/KNO3 kompozit yapıda gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Yapılan TPS ölçümlerine göre bütün kompozit yapılarda belirgin bir termal iletkenli artışı görülmektedir. Bu artışın yine AAO/KNO3 ve AAO/Solar Tuz kompozit yapılarında sistematik olmadığı ancak AAO/NaNO3 kompozit yapıda sistematik olduğu gözlemlenmiştir. En fazla termal iletkenlik artışı %78 ile 35nm por çapına sahip AAO/KNO3 kompozit yapısında görülmektedir. XRD analizi, KNO3'ün gözeneklerin uzunlamasına eksenine paralel yönlendirilmiş tek bir kristal yapı oluşturduğunu göstermiştir.
Mühendislik nanoparçacıklarının canlı sistemler ve/veya çevre ile etkileşim türlerinin ve mekanizmalarının sistematik olarak incelenmesi
Son yıllarda, parçacıkların nanometre skalasında üretimleri artmıştır. Bu parçacıklar akademik ve endüstriyel alanlarda büyük ölçüde çalışılmakta ve nanoparçacık olarak isimlendirilmektedir. Nanoparçacıkların üretimi, gıda ürünlerinden kozmetik ürünlerine kadar çok geniş alanda kullanımı ve insanların nanoparçacıklara maruz kalma oranı günden güne artmış ve yaygınlaşmıştır. Bununla beraber çeşitli türlerdeki nanoparçacıkların üretimi ve uygulama alanlarında büyük bir artış görülmesine rağmen, bu parçacıklara maruz kalındıktan sonra etkilerini çalışan araştırmalar aynı oranda artış göstermesine rağmen, sistematik bir çalışma yapılmamasından dolayı aralarında bir fikir birliği oluşmamıştır. Buradan yola çıkarak, bu çalışmada, hücrelerle etkileşen çeşitli şekil, boyut ve türdeki oksit nanoparçacıkların in vitro ve in vivo toksisitelerinin sistematik bir şekilde incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada ticari olarak satın alınan yalın haldeki titanyum dioksit (TiO2, E171) nanoparçacıkları, düzensiz şekil ve boyut dağılımına sahip yalın haldeki ve yüzeyleri amino propil silan (APTES) molekülüyle modifikasyonu gerçekleştirilen demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıkları ve küresel şekil ve homojen boyut dağılımına sahip yalın haldeki ve yüzeyleri amino propil silan (APTES) molekülüyle modifikasyonu gerçekleştirilen demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıkları kullanılmıştır. Bu nanoparçacıkların çözücü içerisinde dağılımları ve parçacık büyüklüğü hakkında genel bilgi edinmek için dinamik ışık saçılımı (DLS), yüzey morfoloji ve topografi analizleri için geçirimli elektron mikroskopisi (TEM), yüzey kimyasal yapısı ve yüzey modifikasyonlarının başarılı olup olmadığını analiz etmek için X-ray ışın spektroskopisi (XPS), kristal yapısı ve kristal özellikleri hakkında bilgi sahibi olmak için X-ışını kırınım spektroskopisi, yüzey alanı ve gözenek çapı analizi için Branauer- Emmet-Teller (BET), demir oksit nanoparçacıklarının manyetik özellik ve karakteristiğini belirlemek amacıyla titreşim numune manyetometresi (VSM) yöntemlerinden yararlanılarak fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla sıralanan karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Nanoparçacıkların toksik özelliklerinin belirlenebilmesi için hücre canlılık (MTT) ve oksidatif stres deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, küresel şekle ve homojen boyut dağılımına sahip nanoparçacıkların in vitro ortamda sitotoksisitesi insan epitel kolorektal adenokarsinoma (CaCo-2) hücre hattı kullanılarak 7,81-500 µg/ml konsantrasyonlarında MTT'leri değerlendirilmiştir. Daha sonra, IC50/2 ve IC50/4 konsantrasyonlarında oksidatif stres özellikleri incelenmiştir. Küresel şekle ve homojen boyut dağılımına sahip demir oksit nanoparçacıkların in vivo genotoksik etki ve yaşam özelliği toksisitesi incelenmesi için ise tatlı su tatarcığı Chironomus riparius larvaları kullanılarak kg sediment başına 1, 5, 10, 50 ve 100 mg nano-Fe3O4 konsantrasyonlarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonunda nanoparçacıkların başarılı bir şekilde yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Nanoparçacıkların fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenerek, in vivo ve in vitro deneyler yapılarak sistematik bir şekilde toksik özellikleri değerlendirilmiştir.
Mühendislik ürünü nanoparçacıkların sayı, miktar ve yapısal özelliklerinin sucul ekotoksikoloji yönünden incelenmesi
Seryum oksit nanoparçacıklarının (nano-CeO2) kozmetikten gıda endüstrisine kadar birçok alanda yaygın olarak kullanılmasıyla birlikte doğaya salınımı artmıştır. Bu nedenle, Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü'nün (OECD) mühendislik nanomalzemeler (MNM) için hazırlanan öncelik listesine nano-CeO2 dahil edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, iki tatlı su canlısı; tatarcık sineği (Chironomus riparius) ve tatlı su midyesi (Unio crassus) üzerindeki nano-CeO2'nin toksik etkileri araştırılmıştır. Chironomus riparius larva çalışması için doğal şartlara uygun 2,5, 25, 250, 2.500 mg CeO2 NP/kg sediment konsantrasyon aralığı ve Unio crassus çalışması için 10 mg, 25 mg ve 50 mg CeO2 NP/L su konsantrasyon aralığı seçilmiştir. İlk olarak, nano-CeO2'nin kimyasal ve yapısal özellikleri, transmisyon elektron mikroskobu (TEM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektroskopi (EDS), X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), A Brunauer–Emmett–Teller (BET) yöntemi, dinamik ışık saçılımı (DLS) ve zeta potansiyeli analizleri ile ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Kronomidlerin nano-CeO2'ye uzun süreli maruziyet çalışması OECD test kılavuzu 218'e göre tasarlanmıştır. Larvalar tarafından nano-CeO2 alımı, oksidatif stres parametreleri, in vivo genotoksik etki çalışması ve yaşam özelliği (gelişim süresi, ortaya çıkma, ölüm ve hayatta kalma oranı) parametreleri araştırılmıştır. ICP-MS analizi, sedimentteki nano-CeO2 konsantrasyonu ile larvalar tarafından alınan konsantrasyon arasında pozitif korelasyon olduğunu göstermiştir. Çalışma sırasında, kronomidlerde önemli bir mortalite gözlenmemiş ve oksidatif stres saptanmamıştır. Bununla birlikte, doza bağlı bir şekilde, 25 mg/kg ve daha yüksek konsantrasyonlarda önemli DNA hasarları tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kısa vadede nanoCeO2'nin kronomidler için doğrudan toksik etkisinin olmadığını göstermektedir. Ancak, tek önemli subletal etki genotoksisite çalışmasında 25 mg/kg sediment konsantrasyonunda ortaya çıkmış ve daha yüksek konsantrasyonlarda artarak devam etmiştir. Tatlı su midyeleri üzerinde nano-CeO2'ye maruziyet çalışması iki zaman aralığında (48 saat ve 7 gün) tasarlanmıştır. Bu çalışmada, midyeler tarafından nano-CeO2 alımı, toplam hemosit sayılarının hesaplanması, histopatoloji ve biyokimyasal analiz (biyobelirteç deneyleri) parametreleri araştırılmıştır. Her iki zaman aralığında da yapılan deneylerde önemli bir mortalite görülmemesine rağmen, histopatoloji sonuçları sudaki nano-CeO2 konsantrasyonu ile dokularda oluşan hasar miktarı arasında pozitif bir korelasyon olduğunu göstermiştir. Ayrıca, biyo-belirteç analizinde önemli bir değişiklik tespit edilmemesine rağmen oksidatif stres parametrelerinin ikili karşılaştırmalarında sapmalar gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, kısa sürelerde tatlı su midgeleri ve midyelerinin nanoCeO2'ye akut maruziyetinin önemli bir biyolojik risk oluşturmadığını göstermiştir. Ek olarak, midge ve midyelerin nano-CeO2'yi vücutlarında önemli ölçüde biriktirebildikleri kanıtlanmıştır. Bu durum bu tatlı su canlılarının ekosistemdeki konumu nedeniyle ekosistemdeki diğer organizmalar için besin ağında trofik transfer yoluyla nano-CeO2'nin bir risk oluşturabileceğini göstermektedir.
Nitrat tuzlarının termal enerji depolama kapasitesini geliştirmek için uçucu kül tabanlı nanokompozitlerin tasarımı
Son yıllarda, enerji sektöründeki sürdürülebilirlik ve enerji verimliliği talepleri hızla artmaktadır. Dünyanın enerjiye karşı giderek artan talebin karşılanabilmesi için yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulmaktadır. Alternatif enerji kaynaklarından biri olan yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (YGE) santralleri çevreye yararlı ve elektrik üretiminde verimli bir kaynak olarak görülmektedir. YGE santrallerinde, performansı yüksek ve maliyeti düşük hem termal depolama (TED) akışkanı hem de ısı transfer akışkanı (ITA) olarak kullanılabilen akışkanların geliştirilmesi oldukça önemlidir. Günümüzde fizikokimyasal ve termodinamik özellikleri nedeniyle tuz eriyikleri ve çeşitli karışımları YGE santrallerinde ve birçok uygulamada kullanılmaktadır. Tuz eriyiklerinin yüksek kimyasal kararlılığa, düşük viskoziteye, düşük buhar basıncına, yüksek enerji yoğunluğuna ve düşük maliyete sahip olmalarının yanında çevre dostu malzemeler olması enerji sektöründe kullanılabilecek ideal bir akışkan olmasına sebep olmaktadır. Ancak eriyik nitrat tuzları tek başına kullanıldığında termal kararlılıkları düşüktür ve bu da depolama süresini kısıtlamaktadır. Ayrıca, eriyik tuz akışkanlarının yüksek erime noktaları (>200 °C) ve düşük bozunma sıcaklıkları (600 °C ve üzerindeki sıcaklıklarda) sebebiyle soğuk hava koşullarında ve karanlıkta donarak boruların tıkanmasına sebep olabilir. Bu nedenle, mikro/nano parçacık gibi termal iletkenliği yüksek bir malzeme ile karıştırarak nanokompozitler oluşturması, eriyik tuzların termodinamik özelliklerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır. Böylece, YGE santrallerinde düşük erime noktasına, yüksek depolama kapasitesine ve yüksek termal stabiliteye sahip maliyeti düşük ITA ve TED malzemesi elde edilmiş olacaktır. Bu tez çalışmasında yüksek termal iletkenliğe, düşük erime sıcaklığına ve yüksek bozunma sıcaklığına sahip ucuz eriyik tuz ve uçucu kül nanoyapılarının tasarlanması hedeflenmiştir. Ağırlıkça farklı uçucu kül yüzdesine sahip (%0.3, %0.5 %1, %2 ve %5) uçucu kül-potasyum nitrat (KNO3) karışımlarının yapısal ve termal özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Hazırlanan nanokompozitlerin, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile yapısal özellikleri; termal özellikler analizatörü (TPS),diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) yöntemleri ile de termal karakterizasyonu incelenmiştir. DSC analizinin sonuçları, erime sıcaklığında en büyük artışın %1 uçucu kül-KNO3 örneğinde %0.2 uçucu kül-KNO3 numunesinde gözlendiğini ortaya koymuştur (deneysel hata payının içinde). Isı kapasitesi değerleri incelendiğinde, en yüksek artışın %0.5 uçucu kül-KNO3 numunesinde %29.69 olarak tespit edilmiş ve ikili kristalizasyon prosedürünün ısı kapasitesi artışını olumlu yönde etkilediği sonucuna varılmıştır. TGA karakterizasyonu ise beklenenin aksine bozunma sıcaklıklarının uçucu kül yüzdesi artıkça azaldığını ve sıcaklık artışıyla birlikte ağırlık kaybı yüzdelerinin de göstermiştir. TPS ölçümleri, ısıl iletkenlik değerlerinin uçucu kül ilavesiyle doğrusal olarak arttığını ve ne büyük artışın %5 uçucu kül eklenmesiyle elde edildiğini ortaya koymuştur. Malzemelerin kristalografik yapısı XRD ile incelenmiş ve KNO3 tuzuna uçucu kül eklenmesinin, KNO3 kristalinin boyutlarını ve miktarlarını değiştirdiğini, ancak ferroelektrik özelliğini koruduğunu göstermiştir. SEM görüntüleri, uçucu külün KNO3 kristalleri üzerinde topaklanmadığını ve homojen bir şekilde dağıldığını göstermiştir.
Uçucu kül esaslı aerojel hazırlanması ve organik moleküllerin adsorpsiyonu uygulamalarının araştırılması
Termal enerji santrallerinde yan ürün olarak her yıl milyonlarca ton uçucu kül açığa çıkmaktadır. Bu uçucu küller havaya ve sulara karışarak içerdiği zararlı bileşenlerden dolayı başta canlılar olmak üzere tüm ekosistemi tehdit etmektedir. Fakat içerdiği zararlı bileşenlerin yanında yüksek oranda silika barındırmaktadır. Bu özelliğinden yararlanılarak uçucu kül geri dönüştürülüp hem içindeki silika bileşeni özütlenip kullanılabilir hale getirilirken hem de karbon ayak izi önemli ölçüde azaltılmış olmaktadır. Bu özütlenen silika bileşeni aerojel üretiminde kullanılan pahalı öncüllerin yerine geçmektedir. Silika aerojel malzeme başta olağanüstü yüksek yüzey alanı olmak üzere düşük yoğunluk, düşük termal iletkenlik vb. özellikleri sayesinde uzay araştırmalarında, mikro-elektronikte, akustikte, lazer deneylerinde, optikte, tıpta ve su arıtma uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında ise aerojel malzemenin adsorpsiyon özelliğinden yararlanılarak atık sulardaki tekstil boyar maddelerin uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Metil oranj (MO) ve ksilen oranj (XO) gibi anyonik boyalar tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmakta olup içme sularına karışmasıyla birlikte (toksik, kanserojen ve alerjenik) insan hayatını tehdit eden kimyasallardır. Tüm bu sebeplerden dolayı bu çalışmada suya karışan MO ve XO boyalarını sudan %90'ın üzerinde verimle kısa sürede (30 dakikadan az) uzaklaştırmak amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda ucuz bir kaynak olan uçucu külden silika bileşeni özütlenerek aerojel malzeme için öncül oluşturulmuştur. Oluşturulan bu öncülden ortam basıncı kurutma yöntemiyle 810 m2 g-1 yüzey alanına sahip aerojel başarılı bir şekilde üretilmiştir. Aerojel malzemeye silanlama (tri amino propil tri etoksi silan, APTES) yöntemi ile protonlanabilir amin gruplarının kaplaması yapılarak MO ve XO gibi anyonik boyaların aerojel adsorbana elektrostatik etkileşimle tutunabilirliği artırılmıştır. Yapılan deneylerde çok düşük miktarda kullanılan APTES kaplı aerojel adsorbanın hem MO hem de XO boyasını sudan %100 uzaklaştırdığı saptanmıştır. Tüm bunlara ek olarak adsorbanın tekrar kullanılabilirliğini ölçmek için 10 döngü adsorpsiyon-desorpsiyon deneyi yapılarak test edilmiştir. 10. döngüde MO boyanın %83'ü sudan uzaklaştırılırken XO boyanın %88'i uzaklaştırılmıştır. Bu çalışmanın bir diğer avantajı ise boya tutma işleminin 5 dakikadan kısa bir sürede gerçekleşmiş olmasıdır.
Uçucu kül esaslı aerojel hazırlanması ve organik moleküllerin adsorpsiyonu uygulamalarının araştırılması
Termal enerji santrallerinde yan ürün olarak her yıl milyonlarca ton uçucu kül açığa çıkmaktadır. Bu uçucu küller havaya ve sulara karışarak içerdiği zararlı bileşenlerden dolayı başta canlılar olmak üzere tüm ekosistemi tehdit etmektedir. Fakat içerdiği zararlı bileşenlerin yanında yüksek oranda silika barındırmaktadır. Bu özelliğinden yararlanılarak uçucu kül geri dönüştürülüp hem içindeki silika bileşeni özütlenip kullanılabilir hale getirilirken hem de karbon ayak izi önemli ölçüde azaltılmış olmaktadır. Bu özütlenen silika bileşeni aerojel üretiminde kullanılan pahalı öncüllerin yerine geçmektedir. Silika aerojel malzeme başta olağanüstü yüksek yüzey alanı olmak üzere düşük yoğunluk, düşük termal iletkenlik vb. özellikleri sayesinde uzay araştırmalarında, mikro-elektronikte, akustikte, lazer deneylerinde, optikte, tıpta ve su arıtma uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında ise aerojel malzemenin adsorpsiyon özelliğinden yararlanılarak atık sulardaki tekstil boyar maddelerin uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Metil oranj (MO) ve ksilen oranj (XO) gibi anyonik boyalar tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmakta olup içme sularına karışmasıyla birlikte (toksik, kanserojen ve alerjenik) insan hayatını tehdit eden kimyasallardır. Tüm bu sebeplerden dolayı bu çalışmada suya karışan MO ve XO boyalarını sudan %90'ın üzerinde verimle kısa sürede (30 dakikadan az) uzaklaştırmak amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda ucuz bir kaynak olan uçucu külden silika bileşeni özütlenerek aerojel malzeme için öncül oluşturulmuştur. Oluşturulan bu öncülden ortam basıncı kurutma yöntemiyle 810 m2 g-1 yüzey alanına sahip aerojel başarılı bir şekilde üretilmiştir. Aerojel malzemeye silanlama (tri amino propil tri etoksi silan, APTES) yöntemi ile protonlanabilir amin gruplarının kaplaması yapılarak MO ve XO gibi anyonik boyaların aerojel adsorbana elektrostatik etkileşimle tutunabilirliği artırılmıştır. Yapılan deneylerde çok düşük miktarda kullanılan APTES kaplı aerojel adsorbanın hem MO hem de XO boyasını sudan %100 uzaklaştırdığı saptanmıştır. Tüm bunlara ek olarak adsorbanın tekrar kullanılabilirliğini ölçmek için 10 döngü adsorpsiyon-desorpsiyon deneyi yapılarak test edilmiştir. 10. döngüde MO boyanın %83'ü sudan uzaklaştırılırken XO boyanın %88'i uzaklaştırılmıştır. Bu çalışmanın bir diğer avantajı ise boya tutma işleminin 5 dakikadan kısa bir sürede gerçekleşmiş olmasıdır.
Uçucu kül esaslı aerojel hazırlanması ve organik moleküllerin adsorpsiyonu uygulamalarının araştırılması
Termal enerji santrallerinde yan ürün olarak her yıl milyonlarca ton uçucu kül açığa çıkmaktadır. Bu uçucu küller havaya ve sulara karışarak içerdiği zararlı bileşenlerden dolayı başta canlılar olmak üzere tüm ekosistemi tehdit etmektedir. Fakat içerdiği zararlı bileşenlerin yanında yüksek oranda silika barındırmaktadır. Bu özelliğinden yararlanılarak uçucu kül geri dönüştürülüp hem içindeki silika bileşeni özütlenip kullanılabilir hale getirilirken hem de karbon ayak izi önemli ölçüde azaltılmış olmaktadır. Bu özütlenen silika bileşeni aerojel üretiminde kullanılan pahalı öncüllerin yerine geçmektedir. Silika aerojel malzeme başta olağanüstü yüksek yüzey alanı olmak üzere düşük yoğunluk, düşük termal iletkenlik vb. özellikleri sayesinde uzay araştırmalarında, mikro-elektronikte, akustikte, lazer deneylerinde, optikte, tıpta ve su arıtma uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında ise aerojel malzemenin adsorpsiyon özelliğinden yararlanılarak atık sulardaki tekstil boyar maddelerin uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Metil oranj (MO) ve ksilen oranj (XO) gibi anyonik boyalar tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmakta olup içme sularına karışmasıyla birlikte (toksik, kanserojen ve alerjenik) insan hayatını tehdit eden kimyasallardır. Tüm bu sebeplerden dolayı bu çalışmada suya karışan MO ve XO boyalarını sudan %90'ın üzerinde verimle kısa sürede (30 dakikadan az) uzaklaştırmak amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda ucuz bir kaynak olan uçucu külden silika bileşeni özütlenerek aerojel malzeme için öncül oluşturulmuştur. Oluşturulan bu öncülden ortam basıncı kurutma yöntemiyle 810 m2 g-1 yüzey alanına sahip aerojel başarılı bir şekilde üretilmiştir. Aerojel malzemeye silanlama (tri amino propil tri etoksi silan, APTES) yöntemi ile protonlanabilir amin gruplarının kaplaması yapılarak MO ve XO gibi anyonik boyaların aerojel adsorbana elektrostatik etkileşimle tutunabilirliği artırılmıştır. Yapılan deneylerde çok düşük miktarda kullanılan APTES kaplı aerojel adsorbanın hem MO hem de XO boyasını sudan %100 uzaklaştırdığı saptanmıştır. Tüm bunlara ek olarak adsorbanın tekrar kullanılabilirliğini ölçmek için 10 döngü adsorpsiyon-desorpsiyon deneyi yapılarak test edilmiştir. 10. döngüde MO boyanın %83'ü sudan uzaklaştırılırken XO boyanın %88'i uzaklaştırılmıştır. Bu çalışmanın bir diğer avantajı ise boya tutma işleminin 5 dakikadan kısa bir sürede gerçekleşmiş olmasıdır.
Termal santrallerden elde edilen uçucu kül tabanlı nanopartiküllerin türlerinin belirlenmesi, yapısal karakterizasyonu ve termoplastik nanokompozit dolgu malzemesi olarak kullanım potansiyellerinin araştırılması
Uçucu küller termik santrallerde kömürün yanması sonucu oluşan atık ürünüdür. Dünya çapında yaklaşık 800 milyon ton uçucu kül üretilmekte ve bu miktarın termik santral sayısının artmasına bağlı, yükselmesi beklenmektedir. Söz konusu uçucu küller %15 oranında geri dönüştürülmektedir. Bu atıkların çevre kirliliği üzerindeki etkisi göz ardı edilemeyeceğinden geri dönüşüm küresel bir problemdir. Türkiye'de her yıl 17 milyon ton uçucu kül üretilmekte fakat sadece %16.7'si inşaat, asfalt sanayisinde kullanılmaktadır. Uçucu kül bünyesinde çok yüksek oranda nano ve mikro partikül varlığı bu malzemelerin yüksek teknolojik malzemelerde dolgu materyali olarak kullanımını gündeme getirmiştir. Bu durum uçucu küllerin geri dönüşümünün ülke ekonomisine olumlu katı yapma potansiyelinin araştırılması gerekliliğini doğurmuştur. Bu çalışma kapsamında, uçucu küllerden oksit bazlı nanopartikülleri (ONP'ler) elde etmek için basit, çok yönlü ve ekonomik bir teknik geliştirilmiştir. SiO2 ve Fe3O4 ONP'ler zenginleştirilmiş fraksiyonları seçici olarak elde edilmiştir. Fe3O4 ve SiO2 toplam geri kazanımı sırasıyla %53.46 ve %55 şeklinde tespit edilmiştir. Bu duruma ek olarak ham uçucu külden başarılı bir şekilde Ga2O3, PbO ve ZrO gibi ağır metaller uzaklaştırılmıştır. Ayrıca, ONP'den oluşan bir polipropilen (PP) matrisi içinde SiO2 ONP'lerden oluşan (içerik %0.5-%1.5, ağırlık %2.5-%5) nanokompozit hazırlanmıştır. ONP'lerin yapısal ve kimyasal analizleri, XRF ve XPS ile gerçekleştirilmiş, parçacık büyüklüğü / boyut dağılımı TEM ve dinamik ışık saçılımı ile karakterize edilmiştir. Etkin yüzey alanları Braunnet-Emmet-Teller (BET) analizi ile ölçülmüştür. Nanokompozit hazırlama için çift vidalı bir ekstrüder kullanılmıştır. Tüm nanokompozitlerin gerilme ve eğilme mukavemetinin ONP dolgu miktarına bağlı olarak bir miktar arttırıldığı gözlemlenmiştir. Nanokompozitlerin darbe direnci azalırken, elastik modül kompozisyon, sıcaklık ile değişmektedir. Ayrıca, zararlı ağır metallerden arındırılmış ve spesifik yüzey alanları arttırılmış silikaca zengin uçucu küllerden hafif aerojeller elde edilmiştir. Bu jellerin termal iletkenlik ve termal difüzyon katsayıları ölçülerek ısı yalıtım malzemesi olarak kullanım alanları araştırılmıştır. Özet olarak, uçucu küllerden elde edilen Fe3O4 ve SiO2'lerce zenginleştirilmiş Fe3O4 , SiO2 ONP'lerin etkili bir şekilde geri kazanımı sağlanmıştır. Bu sebeple söz konusu yapıların endüstriyel anlamda ilgili bir ürün potansiyeli de araştırılarak çalışma tamamlanmıştır.
Termal santrallerden elde edilen uçucu kül tabanlı nanopartiküllerin türlerinin belirlenmesi, yapısal karakterizasyonu ve termoplastik nanokompozit dolgu malzemesi olarak kullanım potansiyellerinin araştırılması
Uçucu küller termik santrallerde kömürün yanması sonucu oluşan atık ürünüdür. Dünya çapında yaklaşık 800 milyon ton uçucu kül üretilmekte ve bu miktarın termik santral sayısının artmasına bağlı, yükselmesi beklenmektedir. Söz konusu uçucu küller %15 oranında geri dönüştürülmektedir. Bu atıkların çevre kirliliği üzerindeki etkisi göz ardı edilemeyeceğinden geri dönüşüm küresel bir problemdir. Türkiye'de her yıl 17 milyon ton uçucu kül üretilmekte fakat sadece %16.7'si inşaat, asfalt sanayisinde kullanılmaktadır. Uçucu kül bünyesinde çok yüksek oranda nano ve mikro partikül varlığı bu malzemelerin yüksek teknolojik malzemelerde dolgu materyali olarak kullanımını gündeme getirmiştir. Bu durum uçucu küllerin geri dönüşümünün ülke ekonomisine olumlu katı yapma potansiyelinin araştırılması gerekliliğini doğurmuştur. Bu çalışma kapsamında, uçucu küllerden oksit bazlı nanopartikülleri (ONP'ler) elde etmek için basit, çok yönlü ve ekonomik bir teknik geliştirilmiştir. SiO2 ve Fe3O4 ONP'ler zenginleştirilmiş fraksiyonları seçici olarak elde edilmiştir. Fe3O4 ve SiO2 toplam geri kazanımı sırasıyla %53.46 ve %55 şeklinde tespit edilmiştir. Bu duruma ek olarak ham uçucu külden başarılı bir şekilde Ga2O3, PbO ve ZrO gibi ağır metaller uzaklaştırılmıştır. Ayrıca, ONP'den oluşan bir polipropilen (PP) matrisi içinde SiO2 ONP'lerden oluşan (içerik %0.5-%1.5, ağırlık %2.5-%5) nanokompozit hazırlanmıştır. ONP'lerin yapısal ve kimyasal analizleri, XRF ve XPS ile gerçekleştirilmiş, parçacık büyüklüğü / boyut dağılımı TEM ve dinamik ışık saçılımı ile karakterize edilmiştir. Etkin yüzey alanları Braunnet-Emmet-Teller (BET) analizi ile ölçülmüştür. Nanokompozit hazırlama için çift vidalı bir ekstrüder kullanılmıştır. Tüm nanokompozitlerin gerilme ve eğilme mukavemetinin ONP dolgu miktarına bağlı olarak bir miktar arttırıldığı gözlemlenmiştir. Nanokompozitlerin darbe direnci azalırken, elastik modül kompozisyon, sıcaklık ile değişmektedir. Ayrıca, zararlı ağır metallerden arındırılmış ve spesifik yüzey alanları arttırılmış silikaca zengin uçucu küllerden hafif aerojeller elde edilmiştir. Bu jellerin termal iletkenlik ve termal difüzyon katsayıları ölçülerek ısı yalıtım malzemesi olarak kullanım alanları araştırılmıştır. Özet olarak, uçucu küllerden elde edilen Fe3O4 ve SiO2'lerce zenginleştirilmiş Fe3O4 , SiO2 ONP'lerin etkili bir şekilde geri kazanımı sağlanmıştır. Bu sebeple söz konusu yapıların endüstriyel anlamda ilgili bir ürün potansiyeli de araştırılarak çalışma tamamlanmıştır.
Termal santrallerden elde edilen uçucu kül tabanlı nanopartiküllerin türlerinin belirlenmesi, yapısal karakterizasyonu ve termoplastik nanokompozit dolgu malzemesi olarak kullanım potansiyellerinin araştırılması
Uçucu küller termik santrallerde kömürün yanması sonucu oluşan atık ürünüdür. Dünya çapında yaklaşık 800 milyon ton uçucu kül üretilmekte ve bu miktarın termik santral sayısının artmasına bağlı, yükselmesi beklenmektedir. Söz konusu uçucu küller %15 oranında geri dönüştürülmektedir. Bu atıkların çevre kirliliği üzerindeki etkisi göz ardı edilemeyeceğinden geri dönüşüm küresel bir problemdir. Türkiye'de her yıl 17 milyon ton uçucu kül üretilmekte fakat sadece %16.7'si inşaat, asfalt sanayisinde kullanılmaktadır. Uçucu kül bünyesinde çok yüksek oranda nano ve mikro partikül varlığı bu malzemelerin yüksek teknolojik malzemelerde dolgu materyali olarak kullanımını gündeme getirmiştir. Bu durum uçucu küllerin geri dönüşümünün ülke ekonomisine olumlu katı yapma potansiyelinin araştırılması gerekliliğini doğurmuştur. Bu çalışma kapsamında, uçucu küllerden oksit bazlı nanopartikülleri (ONP'ler) elde etmek için basit, çok yönlü ve ekonomik bir teknik geliştirilmiştir. SiO2 ve Fe3O4 ONP'ler zenginleştirilmiş fraksiyonları seçici olarak elde edilmiştir. Fe3O4 ve SiO2 toplam geri kazanımı sırasıyla %53.46 ve %55 şeklinde tespit edilmiştir. Bu duruma ek olarak ham uçucu külden başarılı bir şekilde Ga2O3, PbO ve ZrO gibi ağır metaller uzaklaştırılmıştır. Ayrıca, ONP'den oluşan bir polipropilen (PP) matrisi içinde SiO2 ONP'lerden oluşan (içerik %0.5-%1.5, ağırlık %2.5-%5) nanokompozit hazırlanmıştır. ONP'lerin yapısal ve kimyasal analizleri, XRF ve XPS ile gerçekleştirilmiş, parçacık büyüklüğü / boyut dağılımı TEM ve dinamik ışık saçılımı ile karakterize edilmiştir. Etkin yüzey alanları Braunnet-Emmet-Teller (BET) analizi ile ölçülmüştür. Nanokompozit hazırlama için çift vidalı bir ekstrüder kullanılmıştır. Tüm nanokompozitlerin gerilme ve eğilme mukavemetinin ONP dolgu miktarına bağlı olarak bir miktar arttırıldığı gözlemlenmiştir. Nanokompozitlerin darbe direnci azalırken, elastik modül kompozisyon, sıcaklık ile değişmektedir. Ayrıca, zararlı ağır metallerden arındırılmış ve spesifik yüzey alanları arttırılmış silikaca zengin uçucu küllerden hafif aerojeller elde edilmiştir. Bu jellerin termal iletkenlik ve termal difüzyon katsayıları ölçülerek ısı yalıtım malzemesi olarak kullanım alanları araştırılmıştır. Özet olarak, uçucu küllerden elde edilen Fe3O4 ve SiO2'lerce zenginleştirilmiş Fe3O4 , SiO2 ONP'lerin etkili bir şekilde geri kazanımı sağlanmıştır. Bu sebeple söz konusu yapıların endüstriyel anlamda ilgili bir ürün potansiyeli de araştırılarak çalışma tamamlanmıştır.
Ötektik sıvı kristal nanotel karışımlarının faz geçişlerinin termo-optik yöntemlerle incelenmesi
Sıvı kristaller, yönelime bağlı olarak değişen optik ve elektriksel özelliklerinden dolayı günümüz ekran teknolojisinde ve diğer elektro-optik uygulamalarda en fazla kullanılan malzemelerden birisidir. Bu özelliklerin yönelime bağlı olması, sıvı kristal moleküllerinin yönelimini kontrol edebilme zorunluluğunu beraberinde getirmiştir. Sıvı kristaller, nematik fazda düşük viskoziteye sahiptirler. Düşük viskozite ise moleküllerin dış bir etken ile kolayca yönelimlerinin değişmesini sağlar. Mekanik, elektrik ve manyetik alan, yüzey etkisi moleküllerin yönelimini kontrol edebilmek için uygun yöntemlerdir. Fakat, bu yöntemler ile moleküllerin oluşturduğu düzende hatalar oluşabilmektedir. Bu nedenle moleküllerin yönelimini daha etkili bir şekilde kontrol edebilmek için sıkıştırma yöntemi kullanılmaktadır. Sıvı kristal uygulamalarına bakıldığında (LCD, sensör, optik anahtarlama, termometre) sıkıştırma etkisinin etkili bir yöntem olduğunu görürüz. Bu sebeple sıkıştırma ortamlarında moleküllerin fiziksel özellikleri önem kazanmaktadır. Bu tez çalışmasında ötektik E7 sıvı kristal karışımı, nano boyutta ve sert yüzeyi olan silindirik porlara sahip alümina (AAO) membranlar kullanılarak sıkıştırmanın sıvı 1kristal karışımının termal, yapı ve moleküler dinamik özelliklerine olan etkisi incelenmiştir. Karışımın karakterizasyonu diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), X ışını kırınınımı (XRD), dielektrik spektroskopisi (DS) ile incelenmiştir. DSC ile elde edilen faz geçiş sıcaklıkları incelendiğinde sıkıştırılan E7 sıvı kristali için nematik-izotropik faz geçiş sıcaklığının 65 nm, 35 nm ve 25 nm çapları için por çapından bağımsız olduğu görülmüştür. Ayrıca boyut etkisi ile DSC sonuçlarında ve XRD kırınım desenlerinde 25 nm ve 35 nm çapları için nematik fazdan farklı olarak yeni bir faz geçişi gözlenmiştir. Dielektrik spektroskopisi ile incelenen moleküler dinamik özelliklerine bakıldığında ise por içerisine sıkıştırılan sıvı kristal moleküllerin dinamiğinin hızlandığı ve alfa relaksasyon sürecinin baskın olduğu gözlenmiştir. DSC ve DS ile elde edilen camsı geçiş sıcaklıklarına bakıldığında sıkıştırılımış olan E7 sıvı kristalinin camsı geçiş sıcaklığı por çapı azaldıkça düştüğü görülmüştür. Bu tez çalışmasının sonuçları, nematik faz aralığı geniş olduğundan teknolojik uygulamalar için uygun olan ötektik E7 sıvı kristal karışımının sıkıştırma ortamlardaki özellikleri açısından önem taşımaktadır. Anahtar Kelimeler: E7 ötektik sıvı kristal, Sıkıştırma etkisi, Alümina porlu membran, Faz geçiş sıcaklığı, Moleküler dinamik.
Mühendislik ürünü nanoparçacıkların sayı, miktar ve yapısal özelliklerinin sucul ekotoksikoloji yönünden incelenmesi
Seryum oksit nanoparçacıklarının (nano-CeO2) kozmetikten gıda endüstrisine kadar birçok alanda yaygın olarak kullanılmasıyla birlikte doğaya salınımı artmıştır. Bu nedenle, Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü'nün (OECD) mühendislik nanomalzemeler (MNM) için hazırlanan öncelik listesine nano-CeO2 dahil edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, iki tatlı su canlısı; tatarcık sineği (Chironomus riparius) ve tatlı su midyesi (Unio crassus) üzerindeki nano-CeO2'nin toksik etkileri araştırılmıştır. Chironomus riparius larva çalışması için doğal şartlara uygun 2,5, 25, 250, 2.500 mg CeO2 NP/kg sediment konsantrasyon aralığı ve Unio crassus çalışması için 10 mg, 25 mg ve 50 mg CeO2 NP/L su konsantrasyon aralığı seçilmiştir. İlk olarak, nano-CeO2'nin kimyasal ve yapısal özellikleri, transmisyon elektron mikroskobu (TEM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektroskopi (EDS), X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), A Brunauer–Emmett–Teller (BET) yöntemi, dinamik ışık saçılımı (DLS) ve zeta potansiyeli analizleri ile ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Kronomidlerin nano-CeO2'ye uzun süreli maruziyet çalışması OECD test kılavuzu 218'e göre tasarlanmıştır. Larvalar tarafından nano-CeO2 alımı, oksidatif stres parametreleri, in vivo genotoksik etki çalışması ve yaşam özelliği (gelişim süresi, ortaya çıkma, ölüm ve hayatta kalma oranı) parametreleri araştırılmıştır. ICP-MS analizi, sedimentteki nano-CeO2 konsantrasyonu ile larvalar tarafından alınan konsantrasyon arasında pozitif korelasyon olduğunu göstermiştir. Çalışma sırasında, kronomidlerde önemli bir mortalite gözlenmemiş ve oksidatif stres saptanmamıştır. Bununla birlikte, doza bağlı bir şekilde, 25 mg/kg ve daha yüksek konsantrasyonlarda önemli DNA hasarları tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kısa vadede nanoCeO2'nin kronomidler için doğrudan toksik etkisinin olmadığını göstermektedir. Ancak, tek önemli subletal etki genotoksisite çalışmasında 25 mg/kg sediment konsantrasyonunda ortaya çıkmış ve daha yüksek konsantrasyonlarda artarak devam etmiştir. Tatlı su midyeleri üzerinde nano-CeO2'ye maruziyet çalışması iki zaman aralığında (48 saat ve 7 gün) tasarlanmıştır. Bu çalışmada, midyeler tarafından nano-CeO2 alımı, toplam hemosit sayılarının hesaplanması, histopatoloji ve biyokimyasal analiz (biyobelirteç deneyleri) parametreleri araştırılmıştır. Her iki zaman aralığında da yapılan deneylerde önemli bir mortalite görülmemesine rağmen, histopatoloji sonuçları sudaki nano-CeO2 konsantrasyonu ile dokularda oluşan hasar miktarı arasında pozitif bir korelasyon olduğunu göstermiştir. Ayrıca, biyo-belirteç analizinde önemli bir değişiklik tespit edilmemesine rağmen oksidatif stres parametrelerinin ikili karşılaştırmalarında sapmalar gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, kısa sürelerde tatlı su midgeleri ve midyelerinin nanoCeO2'ye akut maruziyetinin önemli bir biyolojik risk oluşturmadığını göstermiştir. Ek olarak, midge ve midyelerin nano-CeO2'yi vücutlarında önemli ölçüde biriktirebildikleri kanıtlanmıştır. Bu durum bu tatlı su canlılarının ekosistemdeki konumu nedeniyle ekosistemdeki diğer organizmalar için besin ağında trofik transfer yoluyla nano-CeO2'nin bir risk oluşturabileceğini göstermektedir.
Mühendislik nanoparçacıklarının canlı sistemler ve/veya çevre ile etkileşim türlerinin ve mekanizmalarının sistematik olarak incelenmesi
Son yıllarda, parçacıkların nanometre skalasında üretimleri artmıştır. Bu parçacıklar akademik ve endüstriyel alanlarda büyük ölçüde çalışılmakta ve nanoparçacık olarak isimlendirilmektedir. Nanoparçacıkların üretimi, gıda ürünlerinden kozmetik ürünlerine kadar çok geniş alanda kullanımı ve insanların nanoparçacıklara maruz kalma oranı günden güne artmış ve yaygınlaşmıştır. Bununla beraber çeşitli türlerdeki nanoparçacıkların üretimi ve uygulama alanlarında büyük bir artış görülmesine rağmen, bu parçacıklara maruz kalındıktan sonra etkilerini çalışan araştırmalar aynı oranda artış göstermesine rağmen, sistematik bir çalışma yapılmamasından dolayı aralarında bir fikir birliği oluşmamıştır. Buradan yola çıkarak, bu çalışmada, hücrelerle etkileşen çeşitli şekil, boyut ve türdeki oksit nanoparçacıkların in vitro ve in vivo toksisitelerinin sistematik bir şekilde incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada ticari olarak satın alınan yalın haldeki titanyum dioksit (TiO2, E171) nanoparçacıkları, düzensiz şekil ve boyut dağılımına sahip yalın haldeki ve yüzeyleri amino propil silan (APTES) molekülüyle modifikasyonu gerçekleştirilen demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıkları ve küresel şekil ve homojen boyut dağılımına sahip yalın haldeki ve yüzeyleri amino propil silan (APTES) molekülüyle modifikasyonu gerçekleştirilen demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıkları kullanılmıştır. Bu nanoparçacıkların çözücü içerisinde dağılımları ve parçacık büyüklüğü hakkında genel bilgi edinmek için dinamik ışık saçılımı (DLS), yüzey morfoloji ve topografi analizleri için geçirimli elektron mikroskopisi (TEM), yüzey kimyasal yapısı ve yüzey modifikasyonlarının başarılı olup olmadığını analiz etmek için X-ray ışın spektroskopisi (XPS), kristal yapısı ve kristal özellikleri hakkında bilgi sahibi olmak için X-ışını kırınım spektroskopisi, yüzey alanı ve gözenek çapı analizi için Branauer- Emmet-Teller (BET), demir oksit nanoparçacıklarının manyetik özellik ve karakteristiğini belirlemek amacıyla titreşim numune manyetometresi (VSM) yöntemlerinden yararlanılarak fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla sıralanan karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Nanoparçacıkların toksik özelliklerinin belirlenebilmesi için hücre canlılık (MTT) ve oksidatif stres deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, küresel şekle ve homojen boyut dağılımına sahip nanoparçacıkların in vitro ortamda sitotoksisitesi insan epitel kolorektal adenokarsinoma (CaCo-2) hücre hattı kullanılarak 7,81-500 µg/ml konsantrasyonlarında MTT'leri değerlendirilmiştir. Daha sonra, IC50/2 ve IC50/4 konsantrasyonlarında oksidatif stres özellikleri incelenmiştir. Küresel şekle ve homojen boyut dağılımına sahip demir oksit nanoparçacıkların in vivo genotoksik etki ve yaşam özelliği toksisitesi incelenmesi için ise tatlı su tatarcığı Chironomus riparius larvaları kullanılarak kg sediment başına 1, 5, 10, 50 ve 100 mg nano-Fe3O4 konsantrasyonlarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonunda nanoparçacıkların başarılı bir şekilde yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Nanoparçacıkların fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenerek, in vivo ve in vitro deneyler yapılarak sistematik bir şekilde toksik özellikleri değerlendirilmiştir.
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrallerinde kullanılmak üzere termofiziksel özellikleri iyileştirilmiş nitrat bazlı tuz eriyik/nanogözenekli alumina membran kompozit yapıların tasarlanması
Çevre bilincinin gelişmesi ve mevcut enerji teknolojilerinin optimizasyonu o kadar önemli hale geldiki tuz eriyiklerin benzersiz fizikokimyasal özelliklerinden dolayı hem ısı transfer ajanı (ITA) hem de termal enerji depolama (TED) akışkanı olarak çok çeşitli uygulamalar için kullanımları tekrar gündeme gelmiştir. Çünkü, tuz eriyikler ve bunların karışımları, düşük viskozite, düşük buhar basıncı, düşük maliyet, yüksek kimyasal kararlılık ve çevre dostu olmaları gibi önemli avantajlarından dolayı bir endüstriyel akışkan için istenilen tüm özelliklere sahiptirler. Günümüzde bu eriyikler çalışma sıvısı olarak nükleer enerji santralleri , kimya endüstrisi , petrol rafinerileri ve yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (YGE) santralleri gibi birbirinden çok farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm bu uygulamalarda, kullanılan tuz karışımı türü ve oranları kullanım alanlarına göre seçilmektedir. Uygun bir ITA ve TED malzemesinin seçilmesi, güneş ışını alıcısının, termal depolama tanklarının ve ısı değiştiricilerinin maliyetini en aza indirmek ve yüksek termodinamik verimlilik elde etmek için önemlidir. Mevcut erimiş tuz ITA'ları yüksek erime noktalarına (> 200°C) sahiptir ve 600°C'nin üzerinde bozunmaya başlar. Bu uygulamadaki ana sorun, tuz eriyiklerin akşamları veya kış aylarında kolayca donabilmesi ve bu durumda boru hattını tıkayarak çalışma koşullarını zorlaştırmasıdır. Bu nedenle, daha düşük bir erime noktasına ve daha yüksek bir termal stabiliteye sahip ucuz tuz eriyik bileşimlerinin geliştirilmesi, YGE santrallerinin hem termodinamik veriminin arttırılmasında hem de çalışma koşullarının iyileştirilmesinde önemlidir. Bu tez çalışmasında düşük erime noktası (< 200°C) ve yüksek termal iletkenlik elde etmek için yeni bir nanoyapılı tuz eriyik tasarlanmıştır. Farklı gözenek büyüklüğüne (25 ile 400 nm arasında) sahip anodik alümina oksidin (AAO) içerisine yerleştirilmiş potasyum nitrat (KNO3), sodyum nitrat (NaNO3) ve bunların ötektik karışımlarının (Solar Tuz, kütlece 60% NaNO3 - 40% KNO3) termal ve yapısal özelikleri incelenmiştir. Hazılanan AAO/tuz kompozit yapının termal karakterizasyonu diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal özellikler analizörü (TPS) ile yapısal karakterizasyonu ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. DSC ile yapılan karakterizasyonda, AAO porlarına sıkıştırılan KNO3, NaNO3 ve ötektik karışımın erime sıcaklıklarında ani bir düşüş gözlemlenmiştir. DSC souçlarına göre AAO/KNO3 ve AAO/Solar Tuz kompozit yapısında por çapına bağlı sistematik bir düşüş gözlemlenmemiştir ancak AAO/NaNO3 kompozit yapısında por çapı arttıkça erime sıcaklığının daha fazla düştüğü gözlemlenmiştir. En fazla erime sıcaklığı düşüşünün 173°C ile 400nm por çapına sahip AAO/KNO3 kompozit yapıda gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Yapılan TPS ölçümlerine göre bütün kompozit yapılarda belirgin bir termal iletkenli artışı görülmektedir. Bu artışın yine AAO/KNO3 ve AAO/Solar Tuz kompozit yapılarında sistematik olmadığı ancak AAO/NaNO3 kompozit yapıda sistematik olduğu gözlemlenmiştir. En fazla termal iletkenlik artışı %78 ile 35nm por çapına sahip AAO/KNO3 kompozit yapısında görülmektedir. XRD analizi, KNO3'ün gözeneklerin uzunlamasına eksenine paralel yönlendirilmiş tek bir kristal yapı oluşturduğunu göstermiştir.
Moleküler baskılı polimerik nanomalzemelerin optik biyotarayıcı uygulamaları için tasarım ve üretimi
Bu çalışmada optik bir sistem olan Yüzey Plazmon Spektroskopide çalıştırılmak üzere, sensör uygulamarında oldukça umut vaat eden moleküler baskılı polimerler (MBP) 100 nm boyutunda silika nanoparçacıkların yüzeyinde üretildi. Stöber metodu ile nananoparçacık üretiminin gerçekleştirilmesinin ardından yüzey ileri modifikasyon basamaklarına 3-aminopropil trietoksisilan (APTES) kaplaması ile hazırlandı. 4,4´-azobissiyanopentanoik asit (ACPA) başlatıcı tabakasının nanoparçacık yüzeyine sabitlenmesinin ardından metakrilik asit (MAA) ve etilen glikol dimetakrilat (EDMA) monomerleriyle, 2-fenilprop 2-il ditiyobenzoat (CDB) RAFT ajanı varlığında UV ışığı altında molekül ağırlığı üzerinde etkili bir control sağlayan tersinir katılma-ayrılma zincir transfer polimerizasyonu (RAFT) gerçekleştirildi. Her bir kaplama işleminin ardından nanoparçacıklar X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Dinamik Işık Saçılımı (DLS) ve Termogravimetrik Analiz (TGA) ile karakterize edildi. Şablon molekülü olarak L-Boc-fenilalanin anilid kullanılarak 2 saat polimerizasyon gerçekleştirilerek elde edilen nanoparçacıklar YPR sisteminde kullanılmak üzere altın alttaş üzerine sabitlendi. Hazirlanan sensör performansı, analit (L-BFA) ve 3 farklı (L-TRP, L-TRY ve L-PHE) analog molekülün seçiciliği ile test edildi. Aynı zamanda farklı derişimlerdeki analit molekülünün meydana getirdiği plazmon rezonans açısındaki kayma miktarı takip edilerek Tespit Limiti 7 μM olarak hesaplandı. Tezin bir diğer bölümünde polietilen imin kaplanmış silika parçacıklar (MS-PEI) anyonik boya tutunmasında kullanıldılar. Tek tabaka (MS-APTES) ve polimer kaplı parçacıkların uygun pH, sıcaklık, temas süresi gibi parametrelerinin belirlenmesinin ardından desorpsiyon ve tekrar kullanılabilirlik testleri gerçekleştirildi. Polimer kaplı silika parçacıkların boya uzaklaştırma performansının tek tabaka içeren yüzeyler ile karşılaştırıldığında daha fazla aktif uç içermelerinden dolayı yüksek olduğu tespit edildi. Su artıma performansı incelenen parçacıkların geleneksel YPR düzeneğine uygun olarak hazırlanması ve kullanılması sayesinde hem uygulama hem de tespit sırasında aktif rol oynayabileceği gösterildi.
Moleküler baskılı polimerik nanomalzemelerin optik biyotarayıcı uygulamaları için tasarım ve üretimi
Bu çalışmada optik bir sistem olan Yüzey Plazmon Spektroskopide çalıştırılmak üzere, sensör uygulamarında oldukça umut vaat eden moleküler baskılı polimerler (MBP) 100 nm boyutunda silika nanoparçacıkların yüzeyinde üretildi. Stöber metodu ile nananoparçacık üretiminin gerçekleştirilmesinin ardından yüzey ileri modifikasyon basamaklarına 3-aminopropil trietoksisilan (APTES) kaplaması ile hazırlandı. 4,4´-azobissiyanopentanoik asit (ACPA) başlatıcı tabakasının nanoparçacık yüzeyine sabitlenmesinin ardından metakrilik asit (MAA) ve etilen glikol dimetakrilat (EDMA) monomerleriyle, 2-fenilprop 2-il ditiyobenzoat (CDB) RAFT ajanı varlığında UV ışığı altında molekül ağırlığı üzerinde etkili bir control sağlayan tersinir katılma-ayrılma zincir transfer polimerizasyonu (RAFT) gerçekleştirildi. Her bir kaplama işleminin ardından nanoparçacıklar X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Dinamik Işık Saçılımı (DLS) ve Termogravimetrik Analiz (TGA) ile karakterize edildi. Şablon molekülü olarak L-Boc-fenilalanin anilid kullanılarak 2 saat polimerizasyon gerçekleştirilerek elde edilen nanoparçacıklar YPR sisteminde kullanılmak üzere altın alttaş üzerine sabitlendi. Hazirlanan sensör performansı, analit (L-BFA) ve 3 farklı (L-TRP, L-TRY ve L-PHE) analog molekülün seçiciliği ile test edildi. Aynı zamanda farklı derişimlerdeki analit molekülünün meydana getirdiği plazmon rezonans açısındaki kayma miktarı takip edilerek Tespit Limiti 7 μM olarak hesaplandı. Tezin bir diğer bölümünde polietilen imin kaplanmış silika parçacıklar (MS-PEI) anyonik boya tutunmasında kullanıldılar. Tek tabaka (MS-APTES) ve polimer kaplı parçacıkların uygun pH, sıcaklık, temas süresi gibi parametrelerinin belirlenmesinin ardından desorpsiyon ve tekrar kullanılabilirlik testleri gerçekleştirildi. Polimer kaplı silika parçacıkların boya uzaklaştırma performansının tek tabaka içeren yüzeyler ile karşılaştırıldığında daha fazla aktif uç içermelerinden dolayı yüksek olduğu tespit edildi. Su artıma performansı incelenen parçacıkların geleneksel YPR düzeneğine uygun olarak hazırlanması ve kullanılması sayesinde hem uygulama hem de tespit sırasında aktif rol oynayabileceği gösterildi.
Moleküler baskılı polimerik nanomalzemelerin optik biyotarayıcı uygulamaları için tasarım ve üretimi
Bu çalışmada optik bir sistem olan Yüzey Plazmon Spektroskopide çalıştırılmak üzere, sensör uygulamarında oldukça umut vaat eden moleküler baskılı polimerler (MBP) 100 nm boyutunda silika nanoparçacıkların yüzeyinde üretildi. Stöber metodu ile nananoparçacık üretiminin gerçekleştirilmesinin ardından yüzey ileri modifikasyon basamaklarına 3-aminopropil trietoksisilan (APTES) kaplaması ile hazırlandı. 4,4´-azobissiyanopentanoik asit (ACPA) başlatıcı tabakasının nanoparçacık yüzeyine sabitlenmesinin ardından metakrilik asit (MAA) ve etilen glikol dimetakrilat (EDMA) monomerleriyle, 2-fenilprop 2-il ditiyobenzoat (CDB) RAFT ajanı varlığında UV ışığı altında molekül ağırlığı üzerinde etkili bir control sağlayan tersinir katılma-ayrılma zincir transfer polimerizasyonu (RAFT) gerçekleştirildi. Her bir kaplama işleminin ardından nanoparçacıklar X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Dinamik Işık Saçılımı (DLS) ve Termogravimetrik Analiz (TGA) ile karakterize edildi. Şablon molekülü olarak L-Boc-fenilalanin anilid kullanılarak 2 saat polimerizasyon gerçekleştirilerek elde edilen nanoparçacıklar YPR sisteminde kullanılmak üzere altın alttaş üzerine sabitlendi. Hazirlanan sensör performansı, analit (L-BFA) ve 3 farklı (L-TRP, L-TRY ve L-PHE) analog molekülün seçiciliği ile test edildi. Aynı zamanda farklı derişimlerdeki analit molekülünün meydana getirdiği plazmon rezonans açısındaki kayma miktarı takip edilerek Tespit Limiti 7 μM olarak hesaplandı. Tezin bir diğer bölümünde polietilen imin kaplanmış silika parçacıklar (MS-PEI) anyonik boya tutunmasında kullanıldılar. Tek tabaka (MS-APTES) ve polimer kaplı parçacıkların uygun pH, sıcaklık, temas süresi gibi parametrelerinin belirlenmesinin ardından desorpsiyon ve tekrar kullanılabilirlik testleri gerçekleştirildi. Polimer kaplı silika parçacıkların boya uzaklaştırma performansının tek tabaka içeren yüzeyler ile karşılaştırıldığında daha fazla aktif uç içermelerinden dolayı yüksek olduğu tespit edildi. Su artıma performansı incelenen parçacıkların geleneksel YPR düzeneğine uygun olarak hazırlanması ve kullanılması sayesinde hem uygulama hem de tespit sırasında aktif rol oynayabileceği gösterildi.