RSM optimizasyonu ile çörekotu (Nigella Sativa L.) atık biyokütlesi-esaslı üretilen aktif karbon kullanılarak uçucu organik bileşiklerin giderilmesi ve fotovoltaik uygulamalarının incelenmesi

Bu çalışmada, yanıt yüzey metodolojisi (RSM) kullanılarak çinko klorür (ZnCI2) ile kimyasal aktivasyon yoluyla yağı alınmış çörekotu (Nigella Sativa L.) atık biyokütlesi-esaslı üretilen aktif karbonun hem uçucu organik bileşik (UOB)'lerin giderimi hem de fotovoltaik uygulamalarındaki performansı değerlendirilmiştir. Bu amaçla ilk etapta, aktif karbon üretim prosesi, aktivasyon süresi (30-60 dakika), aktivasyon sıcaklığı (400-600 °C) ve impregnasyon oranı (çörekotu atığı/ZnCI2, %50-150 ağırlıkça) gibi faktörler ile hedeflenen yanıt olarak iyot sayısı esas alınarak RSM'nin bir yaklaşımı olan merkezi kompozit tasarım (CCD) ile optimize edilmiştir. Ayrıca, aktif karbon üretimini etkileyen bu önemli faktörler, bir varyans analizi (ANOVA) ile tanımlanmıştır. Aktif karbon üretiminde, 57 dakika aktivasyon süresi, 550 °C aktivasyon sıcaklığı ve %105 impregnasyon oranı optimum değerler olarak saptanmış ve bu koşullar altında 1055 mg/g yüksek iyot sayısı alımına ulaşılmıştır. Optimum koşullarda üretilen aktif karbonun yüzey özellikleri, taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve Brunauer–Emmett–Teller (BET) yüzey alanı gibi çeşitli analitik teknikler ile karakterize edilmiştir. Sonuçlar, optimal aktif karbonda önemli miktarda mikrogözeneklilik (%53,93) ve mezogözeneklilik (%46,07) oluştuğunu göstermiştir. Ayrıca optimal aktif karbon, 1213,32 m2/g spesifik yüzey alanı (SBET), 0,89 cm3/g toplam gözenek hacmi ve 787,65 m2/g mikrogözenek yüzey alanı ile oldukça gözenekli bir yapı sergilemiştir. Birçok endüstriyel proses, çok bileşenli sistem olarak ortaya çıkan UOB kirleticileri üretmektedir. Bu nedenle, UOB'lerin karşılaştırmalı ve rekabetçi adsorpsiyonunun araştırılması, pratik ve bilimsel öneme sahiptir. Bu anlamda, ikinci etapta, optimal aktif karbon kullanılarak UOB'ler olarak hedeflenen benzen, toluen ve ksilen (BTK) buharının tekli-bileşen, ikili-bileşen ve üçlü-bileşen sistemlerdeki karşılaştırmalı ve rekabetçi adsorpsiyon davranışları aydınlatılmıştır. Tekli-bileşen sistem ile karşılaştırıldığında, ikili-bileşen ve üçlü-bileşen sistemlerde, giriş konsantrasyonunun değişimine bağlı olarak BTK buharı oldukça farklı rekabetçi adsorpsiyon kapasitesi sergilemiştir. Çok bileşenli sistemlerdeki her bileşenin adsorpsiyon kapasitesi, tek-bileşen sistemdekinden çok daha azdır. Ayrıca, çok bileşenli sistemlerde K-buharının optimal aktif karbon üzerine dinamik adsorpsiyon kapasitesi, hem B-buharı hem de T-buharınkinden daha fazladır. Bu sonuçlar, optimal aktif karbonun K-buharı için adsorpsiyon seçiciliğinin T-buharı ve B-buharı için olandan daha yüksek olduğu gerçeğine atfedilebilir. Ayrıca, tekli-bileşen, ikili-bileşen ve üçlü-bileşen sistemlerinde, adsorpsiyon kapasitelerinde görülen K-buharı > T-buharı > B-buharı durumu, BTK buharının sahip olduğu rekabetçi hakimiyet, fiziksel adsorpsiyon bağlayıcı enerjiler, moleküler ağırlıklar ve metil grupları ile açıklanabilir. Bu uygulamadaki bulgular, belirli bir adsorbentle ilişkili olarak farklı UOB kirleticiler arasındaki karşılaştırmalı ve rekabetçi adsorpsiyon davranışının daha iyi anlaşılması için yardımcı olacaktır. BTK buharının optimal aktif karbon üzerine dinamik adsorpsiyon mekanizması, deneysel adsorpsiyon verilerine çeşitli kinetik ve izoterm modellerin uygulanmasıyla detaylı olarak açıklanmıştır. Reaksiyon temelli sözde-birinci-derece (SBD) kinetik modeli takip eden BTK buharının giderim prosesleri fiziksel adsorpsiyon mekanizmasını işaret etmektedir. Ayrıca, uygulanan difüzyon temelli partikül-içi difüzyon ve Boyd'nin film-difüzyonu kinetik modellerin değerlendirmelerine dayanarak, BTK buharı adsorpsiyon prosesi dengeye ulaşana kadar film-difüzyon direncinden (ilk aşama) ve ayrıca partikül-içi difüzyon direncinden (BTK molekülleri gaz filmi boyunca difüze olduktan sonra) etkilendiği sonucuna varılmıştır. Bunun yanı sıra, BTK buharı adsorpsiyonunda genel kütle transfer ve film kütle transfer faktörleri iç difüzyon faktöründen daha yüksek bulunmuştur ([kLa]g > [kLa]f > [kLa]d), bu da genel kütle transferi ve film kütle transferinin iç difüzyondan daha etkili olduğunu göstermektedir. Bir kadmiyum sülfür (CdS) tabanlı güneş pilinde, duyarlaştırıcı olarak CdS yarıiletken malzemesi çok önemli bir rol üstlenmektedir. Fotovoltaik uygulamalarda geniş bir şekilde kullanılan CdS tabanlı güneş pillerine ait fotovoltaik verimliliğin aktif karbon desteğiyle arttırılması büyük önem taşımaktadır. Ayrıca, aktif karbon, fotovoltaik cihazların elektrotlarına elektro-iletken katkılar, aktif malzemeler için destek olarak dahil edilmektedir. Bu nedenlerden dolayı, son etapta, literatürde sıklıkla kullanılan katkısız-katkılı CdS yarıiletken malzemeleri yerine optimal aktif karbon kullanılarak kimyasal çöktürme yöntemi ile aktif karbon destekli CdS (CdS/aktif karbon) ve üç farklı konsantrasyona (%0,33, %1 ve %3 ağırlıkça) sahip molibden (Mo)-katkılı CdS/aktif karbon, lantan (La)-katkılı CdS/aktif karbon ve mangan (Mn)-katkılı CdS/aktif karbon yarıiletken malzemeleri üretilmiştir. Tezin bu uygulamasındaki temel amaç; optimal aktif karbon destek malzemesi varlığında katkısız ve katkılı CdS yarıiletken malzemelerin güç dönüşüm verimliliklerinin nasıl değiştiğini belirlemek ve gözlemlenen bu etkiyi literatür ışığında yorumlamaktır. Üretilen saf CdS/aktif karbon, Mo-katkılı CdS/aktif karbon, La-katkılı CdS/aktif karbon ve Mn-katkılı CdS/aktif karbon yarıiletken malzemeler gelen fotonu akıma çevirme etkinliği (IPCE), SEM, X-ray ışınım kırınımı (XRD), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Mo-katkılı CdS/aktif karbon, La-katkılı CdS/aktif karbon ve Mn-katkılı CdS/aktif karbon yarıiletken malzemelerin kristalit boyutları sırasıyla 11,09, 11,86 ve 10,52 nm olarak hesaplanmıştır. Bu sayısal veriler yarıiletken malzemelerin nano boyutta üretildiğinin bir göstergesi olarak kabul edilebilir. Bu uygulama kapsamında yapılan çalışmalar ile fotovoltaik uygulamalarda geniş bir şekilde kullanılan CdS tabanlı güneş pillerine ait fotovoltaik verimliliğin aktif karbon desteğiyle arttırılabilme kabiliyeti açıkça ortaya konulmuştur. Bu çalışma, RSM optimizasyonu ile biyoatık-esaslı üretilen aktif karbon kullanılarak UOB'ler olarak hedeflenen BTK buharının tekli, ikili ve üçlü-bileşen sistemlerdeki karşılaştırmalı ve rekabetçi dinamik adsorpsiyon mekanizmasını açıklığa kavuşturmak ve aktif karbon destekli CdS yarıiletken malzemeler kullanılarak elde edilen yarıiletken tabanlı güneş pil yapılarının güneş pil verimliliğini arttırmak için yeni bir strateji sunmaktadır.