Mezogözenekli silikanın asit katalizli sentezi ve adsorban, katalizör desteği ve mikromotor olarak uygulamaları

Mikron boyutlu mezogözenekli silika parçacıklar, yüksek spesifik yüzey alanı, gözenek boyutu, yüksek termal/kimyasal stabiliteleri nedeniyle adsorpsiyon, ayırma, kataliz ve ilaç taşınımı gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmıştır. Ancak, sentez yönteminde gerekli olan farklı kimyasallara ve ek adımlara ihtiyaç duyulması nedeniyle mezogözenekli silika parçacıklarının özelliklerini kontrol etmek zordur. Bu tez çalışmasında, Pluronic F127 yüzey aktif madde ile tetra etil ortosilikatın (TEOS) oda sıcaklığında yüksek asidik çözelti içinde karıştırılmasıyla gerçekleştirilen sol-jel sentez yönteminin proses parametreleri kontrol edilerek mezogözenekli silika parçacıklarının özellikleri araştırılmış ve ayarlanmıştır. Mezogözenekli silika morfolojilerinin üçlü faz diyagramı, sentez solüsyonlarındaki üç reaktantın bileşimlerinin ayarlanmasıyla belirlendi. Üçlü faz diyagramı, basit ve düşük maliyetli bir sentez yöntemiyle elde edilebilecek tüm olası morfolojilerin araştırılması için önemli bir gelişmeydi. Yaklaşık 150 örneğin sentez ve karakterizasyon çalışmaları sonucunda farklı morfolojilere (küresel, monolit ve çokyüzlü) ve değişken yüzey alanlarına sahip bölgeler belirlenmiştir. Ortalama parçacık boyutları yaklaşık 1.00 µm ile 5.00 µm arasında değişen ve gözenek boyutları 3 nm ile 15 nm arasında değişen mezogözenekli silika küresel parçacıklar başarıyla sentezlendi. Ayrıca, MSP'lerin spesifik yüzey alanını (1000 m2/g'ye kadar) ve gözenek boyutunu (15 nm 'ye kadar) iyileştirmek için hidrotermal arıtma işlemi kullanıldı. Hidrotermal işlem ile küresel silika parçacıklarının yüzey alanı 1,76 faktörüne kadar arttırılmıştır. Sentezlenen mezogözenekli silika yapılar tekstil boyalarından atık suyun arıtılmasında, fotokataliz ve kendinden tahrikli mikromotor uygulamalarında kullanılmış ve performansları incelenmiştir. Üçlü faz diyagramının incelenmesinde kullanılan hidroklorik asit (HCl) yerine farklı asitler (nitrik asit (HNO3) ve sülfürik asit (H2SO4)) kullanılmasının parçacıklardaki morfoloji ve gözenek yapılarına etkisi başarılı bir şekilde tespit edilmiştir. Parçacıkların gözenek boyutu, MSP'lerin morfolojisini değiştirmeden sülfürik asit kullanılarak 3 nm'den 14 nm'ye çıkarıldı. Farklı asitlerle sentezlenen mezogözenekli silika parçacıklarının atık su arıtma performansı model molekül olarak Rhodamine 6G ile test edilmiş ve performansları karşılaştırılmıştır. Yaklaşık 20 mg/g'lık maksimum adsorpsiyon kapasitesine, sülfürik asit ile sentezlenen silika parçacıkları ile ulaşıldı. Parçacıkların boya moleküllerini sudan uzaklaştırma kapasitesi, proses parametreleri (pH, sıcaklık, zaman ve başlangıç konsantrasyonları) değiştirilerek araştırıldı. Adsorpsiyon prosesleri, lineerleştirilmiş Langmuir ve Freundlich izotermleri ile analiz edildi ve boya moleküllerinin parçacıklara yapışma mekanizması, boyanın başlangıç konsantrasyonunun değiştirilmesiyle belirlendi. Ayrıca temas süresi değiştirilerek adsorpsiyon işlemlerinin yalancı birinci dereceden ve yalancı ikinci dereceden kinetik modellere uygunluğu da araştırılmıştır. Ayrıca adsorpsiyonun gerçekleştiği sıcaklığın bir fonksiyonu olarak elde edilen deneysel sonuçlar ile adsorpsiyon proseslerinin termodinamik parametrelerindeki (ΔG°, ΔH° ve ΔS°) değişimler hesaplanmıştır. Sonuçlar, basit ve uygun maliyetli bir işlemle sentezlenen mezogözenekli silika parçacıklarının atık su arıtma uygulamalarında adsorban ihtiyacını karşılayabileceğini göstermiştir. Kataliz malzemesi olarak kullanılan metal (demir ve bakır) yüklü gözenekli silika parçacıklarının sentezi başarıyla tamamlanmıştır. Metal yüklü parçacıkların katalitik aktivitesi, model kirletici olarak seçilen Metilen Mavisi (MB) tekstil boyasının bozunmasıyla araştırıldı. Fenton ve foto-Fenton reaksiyonları ile gözlemlenen bozunma verimliliği, parçacıklardaki metallerin tipine ve yükleme miktarına bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Demir yüklü mezogözenekli silika parçacıklarının 100 mg/L konsantrasyonundaki MB solüsyonunu UV ışığı altında 20 dakikada %99 oranında temizlediği gözlendi. Deneysel sonuçlar, basit bir sentez yöntemiyle üretilen katalizör parçacıklarının ileri oksidasyon işlemlerinde kullanılmasının yüksek verim sağlayacağını göstermiştir. Kendinden hareket eden mezogözenekli silika parçacıklar, yapıya CaCO3 yüklenerek başarılı bir şekilde sentezlenmiştir. Yükleme işlemi, CaCl2 ve NaCO3 ile CaCO3 yapısının oluşum reaksiyonu ile gerçekleştirilmiş ve EDX ve SEM analizleri ile ispatlanmıştır. CaCO3 yükleme işleminin optimizasyonu tamamlanmış ve en yüksek yükleme verimi için gerekli sentez parametreleri belirlenmiştir. Yüklenen mezogözenekli silika parçacıklarının asidik sulu çözelti (asetik asit) içinde kabarcık tahriki ile hareket etme yeteneği optik mikroskop altında gözlemlendi. Ayrıca farklı partikül boyutuna, yüzey alanına ve gözenek boyutuna sahip silika parçacıklarının hızları karşılaştırılmıştır. Daha küçük gözenek çaplarına sahip benzer boyuttaki parçacıkların daha hızlı hareket ettiği gözlemlenmiştir. Ayrıca gözenek boyutunun da partikül boyutu ve yüzey alanı kadar etkili olduğu anlaşılmıştır. En yüksek hız yaklaşık 1,5 µm çapında ve 789 m2/g yüzey alanına sahip parçacıklarda 1,6 µm/s olarak gözlenmiştir. Kendinden tahrikli mezogözenekli silika parçacıkları, Janus parçacıklarına dönüştürülme ve biyolojik uygulamalarda mikromotorlar olarak kullanılma potansiyeline sahiptir.