Farklı atık türlerinin hidrotermal karbonizasyon yöntemi ile karbon nanomalzemelerine sentezi ve karakterizasyonu

Bu araştırma, hidrotermal karbonizasyon (HTK) yöntemini kullanarak biyokütle atıklarının sürdürülebilir şekilde yüksek katma değerli karbon nanomalzemelere dönüştürülmesine yönelik derinlemesine ve disiplinler arası bir inceleme sunmaktadır. Yeşil kimya, döngüsel ekonomi ve yaşam döngüsü düşüncesi ilkelerine dayanan bu çalışma, organik atık üretimiyle ilişkili önemli çevresel sorunlara bütüncül bir çözüm yaklaşımı geliştirmektedir. Araştırmanın temelini, genellikle göz ardı edilen ya da sorunlu olarak nitelendirilen bazı organik atık türlerinin, uygun ve sürdürülebilir işlem yöntemleri ile değerlendirilebilecek potansiyele sahip olması oluşturmaktadır. Yenilenebilir ve bol miktarda bulunabilen bu atıklar, çevresel iyileştirmeden inşaat ve biyomedikal uygulamalara kadar birçok alanda kullanılabilecek ileri düzey nanoyapılı malzemelere dönüştürülebilmektedir. Bu vizyon doğrultusunda, HTK işlemine uygunluğu, bileşim özellikleri ve temin edilebilirlikleri dikkate alınarak üç farklı biyokütle atığı seçilmiştir: tarım ve gıda işleme endüstrisinin bir yan ürünü olan nar kabuğu atığı (NKA); törensel veya dekoratif kullanımlar sonrası sıklıkla atılan, süs bitkisi endüstrisinden türetilmiş otsu bir atık olan kadife çiçeği atığı (KÇA); ve endüstriyel tekstil atığı ile yaygın bir belediye katı atığı olan pamuklu kumaş atığı (PKA). Bu öncül malzemelerin her biri, karbonizasyonu teşvik etmeye yönelik aynı ve kontrol altında tutulan işlem koşulları altında HTK işlemine tabi tutulmuştur. Amaç, bu hammaddelerin içsel bileşim farklılıklarının nihai ürünlerin özelliklerini nasıl etkilediğini değerlendirmektir. Deneysel sonuçlar, seçilen hammaddelerin karbonizasyon davranışlarında belirgin farklılıklar olduğunu göstermiştir. Üç malzeme arasında, hidrotermal karbonik nanosferlerin (HKN) üretimi için en uygun öncül maddenin nar kabuğu atığı olduğu belirlenmiştir; bu nanosferler, 50 ila 300 nanometre arasında değişen boyutlara sahip belirgin küresel morfoloji sergilemiştir. Buna karşın, KÇA ve PKA kaynaklı ürünler, düzensiz ve zayıf tanımlanmış karbon yapıları vermiştir. Bu bulgular, HTK yönteminin nanomalzeme sentezindeki etkinliğinin, kullanılan biyokütlenin fizikokimyasal yapısına yüksek düzeyde bağlı olduğunu ve başarılı karbon nanomalzeme üretimi için uygun moleküler yapıya sahip hammaddelerin seçiminin kritik önem taşıdığını göstermektedir. Katı fazlı karbon kürelerin ötesinde, bu çalışma aynı zamanda nar kabuğu atığının iki fazlı değerlendirilmesini mümkün kılarak dikkate değer bir gelişme sunmuştur. HTK işleminden elde edilen sıvı fazda, ultraviyole ışık altında parlak mavi floresan yayan, ultra küçük ve ışıldayan karbon noktalarının bulunduğu tespit edilmiştir. Bu karbon noktalarının optik özellikleri, UV-Vis spektroskopisi kullanılarak karakterize edilmiş ve oluşumlarının başarılı olduğuna işaret eden belirgin absorbsiyon pikleri saptanmıştır. Karbon noktaların floresans davranışı çeşitli konsantrasyonlarda değerlendirilmiş ve maksimum emisyonun 0.05 mg/mL konsantrasyonda gerçekleştiği, daha yüksek konsantrasyonlarda ise tipik söndürme etkilerinden dolayı sinyal yoğunluğunda azalma olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca çözücü bağımlı floresans analizinde gliserolün floresans sinyalini belirgin şekilde artırdığı, toluen gibi apolar çözücülerin ise sinyali bastırdığı görülmüştür. Bu bulgular, PPW kaynaklı Karbon noktaların çok yönlü kullanıma açık olduğunu ve algılama, görüntüleme ve optoelektronik cihazlar gibi çeşitli uygulama alanlarında potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Sentezlenen HKN'ler; yapısal, morfolojik ve fizikokimyasal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla kapsamlı şekilde karakterize edilmiştir. Bu amaçla Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM), X-Işını Difraksiyonu (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Raman Spektroskopisi, Brunauer–Emmett–Teller (BET) yüzey alanı analizi ve Termal Analiz (TGA-DTA) gibi ileri düzey analiz teknikleri kullanılmıştır. Sonuçlar, modifiye edilmemiş HKN'lerin termal stabiliteye sahip olduğunu ve hidrofobik özellik sergilediğini göstermiştir. Bu da onları kirletici adsorpsiyonu ve kompozit malzeme uygulamaları açısından uygun adaylar haline getirmektedir. HKN'lerin fiziksel son işlemlere karşı dayanıklılığını ve performansını anlamak amacıyla, mekanik modifikasyon yöntemi olarak bilyalı öğütme uygulanmıştır. Bu işlem, TEM analizlerinde görülebileceği üzere, kümelenme ve yüzey sıkışması gibi belirgin morfolojik değişimlere neden olmuştur. Bu yapısal değişiklikler, yüzey alanı ve toplam gözenek hacminde önemli ölçüde azalmaya yol açmış, Raman spektroskopisi ise kusur yoğunluğunda artış olduğunu ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, nanoyapı fonksiyonelliğini koruma ile belirli malzeme özelliklerini geliştirme arasındaki hassas dengeyi vurgulamaktadır. Sentez sürecinin çevresel etkilerini daha geniş bir perspektiften değerlendirmek amacıyla ileriye dönük bir yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDA) gerçekleştirilmiştir. YDA kapsamında, HTK işleminin tüm aşamaları—hammadde hazırlığından malzeme karakterizasyonuna kadar—ele alınmış; enerji tüketimi ve emisyonlar odak noktası olmuştur. Değerlendirme, çevresel yükün büyük kısmının reaktörün ısıtılması için kullanılan elektrikten (%75–79) ve malzemelerin kurutulmasından (%20–22) kaynaklandığını ortaya koymuştur. Senaryo modellemeleriyle, konvansiyonel elektrik kaynaklarından yenilenebilir enerjiye geçilmesi durumunda, abiyotik kaynak tüketimi ve küresel ısınma potansiyelinde %120'ye varan azalmalar sağlanabileceği gösterilmiştir. Karbon noktalarının geri kazanımını içeren HTKa senaryosu, tam enerji tahsisi gerektirdiği için daha yüksek enerji girdisi talep etmiş olsa da, geleneksel karbon noktaları sentez yollarında kullanılan sentetik ve yüksek saflıkta kimyasallara olan bağımlılığı azaltarak çevresel avantajlar sağlamıştır. Ayrıca, atık su bertaraf yöntemlerinin duyarlılık analizleri, laboratuvar ölçeğinde sınırlı etkiler görülse de, endüstriyel ölçeklemelerde daha belirgin çevresel iyileştirmelere yol açabileceğini ortaya koymuştur. Bu bulgu, HTK sürecinin ticari ölçekte çevresel açıdan kabul edilebilir biçimde uygulanabileceğine işaret etmektedir. HKN'lerin potansiyel uygulamaları, bu malzemeler açısından görece az araştırılmış iki temel alanda değerlendirilmiştir: biyomedikal bilimler ve inşaat mühendisliği. Biyomedikal bağlamda, HKN'lerin antioksidan aktiviteleri DPPH ve fosfomolibden yöntemleri ile test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, HKN'lerin serbest radikalleri etkin şekilde uzaklaştırabildiğini ve yaygın bir standart olan askorbik asit ile benzer performans sergilediğini göstermiştir. Bu durum, HKN'leri sentetik antioksidanlara potansiyel alternatifler olarak konumlandırmakta; düşük toksisite ve çevresel sürdürülebilirlik gibi iki temel avantaj sunmaktadır. Ayrıca, HKN'lerin potansiyel antibakteriyel etkileri, agar difüzyon tekniği ile belirli antibiyotiklere karşı test edilmiştir. E. coli ve S. aureus'a karşı elde edilen sonuçlar, antibakteriyel etkinin ihmal edilebilir düzeyde olduğunu göstermiştir. Bu sınırlı aktivite, antimikrobiyal etkilerin istenmediği biyouyumlu uygulamalarda avantaj sağlayabilir. Bununla birlikte, bu malzemelerin antibakteriyel etkinliğinin daha yüksek dozlar, farklı bakteri türleri veya yüzey modifikasyonları ile daha kapsamlı şekilde araştırılması gerekmektedir. İnşaat alanında ise, HKN'lerin çimento esaslı kompozitlerdeki etkisi değerlendirilmiştir. %1'e kadar olan düşük dozajlar, ıslak ve kuru karıştırma teknikleriyle uygulanmış ve elde edilen kompozitler fiziksel ve mekanik özellikler açısından test edilmiştir. Sonuçlar, HKN ilavesinin çimento hamurlarının işlenebilirliğini artırdığını, seçilen örneklerde eğilme dayanımını geliştirdiğini ve genel yoğunluğu hafifçe azalttığını göstermiştir. Basınç dayanımı ise önemli ölçüde etkilenmemiştir. Ayrıca, HKN uygulama yönteminin nihai malzeme özelliklerini belirlemede kritik rol oynadığı vurgulanmış ve maksimum performans için karıştırma tekniğinin optimize edilmesi gerekliliği ortaya konmuştur. Eklenen HKN miktarı, çimento üretiminin sürdürülebilirlik profiline anlamlı bir katkı sağlamasa da, iyileştirilmiş mekanik özellikler, HKN'lerin çimento esaslı sistemlerde işlevsel katkı maddesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir—özellikle yapı sektöründeki karbon ayak izini azaltmaya yönelik diğer yeşil malzemelerle birlikte değerlendirildiğinde. Sonuç olarak, bu araştırma, nar kabuğu gibi bir biyokütle atığından çok işlevli karbon nanomalzemelerin çevresel açıdan sorumlu ve uygulanabilir bir yöntemle üretilebileceğini göstermektedir. Aynı biyokütle kaynağından hem hidrotermal karbonik nanosferlerin hem de karbon noktalarının başarıyla elde edilmesi, tek bir atık türünün çok sayıda katma değerli ürüne dönüştürüldüğü döngüsel ekonomi ilkesinin somut bir örneğini sunmaktadır. Elde edilen bulgular, HTK yönteminin nanomalzeme sentezi için çevre dostu ve ölçeklenebilir bir süreç olduğunu ortaya koymakta ve sürdürülebilir malzeme tasarımı, süreç optimizasyonu ve uygulama geliştirme alanlarında yeni araştırma perspektifleri açarak, atık değerlendirme, yeşil üretim ve daha sürdürülebilir bir geleceğe yönelik somut stratejiler önermektedir.