Co yüklü zeolit minerallerinin heterojen katalizör olarak geliştirilmesi ve çözeltideki boyar maddelerin parçalanmasında kullanılması

Abstract

Bu çalışmada, endüstriyel atık sularda yaygın olarak bulunan ve çevresel açıdan ciddi tehdit oluşturan boyar maddelerin giderimi amacıyla, sülfat radikali (SO?•?) temelli ileri oksidasyon proseslerinin (SRİOP), heterojen bir katalizör sistemiyle uygulanabilirliği araştırılmıştır. Bu kapsamda, doğal zeolit mineralleri üzerine kobalt (Co²?) iyonları yüklenmiş ve peroksimonosülfat (PMS) varlığında boyar madde bozunma verimleri değerlendirilmiştir. Çalışmada, zeolit ve beydellit minerallerine metal yükleyerek katalizörler hazırlanmış; klasik Fenton reaktifi (Fe²?/H?O?) ve SRİOP (Co²?/PMS) ile karşılaştırılmıştır. Co yüklü zeolit (Co-Z) ile PMS varlığında ile SRİOP deneyleri yürütülmüştür. Deneysel çalışmalar, farklı oksidan derişimleri, katalizör yükleri, reaksiyon hacimleri ve sıcaklık/ışık koşulları altında gerçekleştirilmiş, renk giderimi ve toplam organik karbon (TOK) analizleri ile sistem verimi değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, Co-Z katalizörünün SRİOP sisteminde yüksek verimlilikle çalıştığını ve düşük PMS konsantrasyonlarında dahi tam renk giderimi sağladığını göstermiştir. Co yüklü beydellit kili (Co-B) katalizörü ile elde edilen yüksek giderim verimi, kobalt iyonlarının çözeltiye sızmasıyla açıklanmış, bu durum homojen katalizöre geçiş ve çevresel toksisite riski açısından olumsuz değerlendirilmiştir. Buna karşın Co-Z katalizörü, yapısal kararlılığı sayesinde kobalt liçini minimize etmiş ve yeniden kullanım deneylerinde etkinliğini büyük ölçüde korumuştur. Farklı reaksiyon koşullarının etkisi incelendiğinde, UVA ışık altında TOK gideriminin %86,9'a ulaştığı, sıcaklık artışının ise renk gideriminde reaksiyon verimini belirgin şekilde olumlu etkilediği gözlemlenmiştir. Düşük katalizör yüklerinde reaksiyon hızının azaldığı ancak zamanla %100'e ulaşan yüksek giderim verimine ulaşıldığı tespit edilmiştir. Bu durum, sistemin optimize edilebilirliğini ve sürdürülebilirliğini destekler niteliktedir. Sonuç olarak bu tez çalışması, yerel kaynaklardan elde edilen doğal ve düşük maliyetli zeolit minerallerinin Co yüklemesi ile çevresel açıdan güvenli, yeniden kullanılabilir ve yüksek verimli bir heterojen katalizör haline getirilebileceğini ortaya koymuştur. SRİOP sisteminin klasik Fenton prosesine göre daha geniş pH aralığında çalışabilmesi, ortam ısı ve ışık değerlerinde verimli çalışabilmesi, çamur atığı üretmemesi ve daha düşük reaktif ihtiyacı ile çevre mühendisliği uygulamaları için umut vadeden bir alternatif sunmaktadır.In this study, the applicability of sulfate radical (SO?•?)-based advanced oxidation processes (SR-AOP) with a heterogeneous catalyst system was investigated for the removal of dyes, which are commonly found in industrial wastewater and pose a serious environmental threat. In this context, cobalt (Co²?) ions were loaded onto natural zeolite minerals, and dyestuff degradation efficiencies were evaluated in the presence of peroxymonosulfate (PMS). Catalysts were prepared by loading metals onto zeolite and beidellite minerals, and their performances were compared with the conventional Fenton reagent (Fe²?/H?O?) and the SR-AOP (Co²?/PMS). SR-AOP experiments were conducted using Co-loaded zeolite (Co-Z) in the presence of PMS. The experimental work was carried out under varying oxidant concentrations, catalyst dosages, reaction volumes, and temperature/light conditions. The system's efficiency was assessed through color removal and total organic carbon (TOC) analyses. The experimental results revealed that the Co-Z catalyst exhibited high catalytic efficiency within the SR-AOP system, achieving near-complete color removal even at low concentrations of peroxymonosulfate (PMS). In comparison, the Co-loaded beidellite clay (Co-B) catalyst also demonstrated high removal performance; however, this was primarily attributed to the leaching of cobalt ions into the reaction medium. Such leaching is considered unfavorable due to the shift toward homogeneous catalysis and the potential environmental toxicity associated with dissolved cobalt species. Notably, the Co-Z catalyst significantly suppressed cobalt leaching owing to its enhanced structural stability, and maintained its catalytic activity across successive reuse cycles. Evaluation of various reaction conditions revealed that total organic carbon (TOC) removal reached 86.9% under UVA irradiation, while elevated temperatures significantly enhanced the efficiency of color removal. Although the reaction rate was initially reduced at low catalyst dosages, the system ultimately achieved complete (100%) color removal over time, indicating its potential for optimization and long-term sustainability. This study demonstrates that natural, locally sourced, and cost-effective zeolite minerals can be successfully modified via cobalt loading to produce environmentally benign, reusable, and highly efficient heterogeneous catalysts. Compared to the conventional Fenton process, the sulfate radical-based advanced oxidation process (SR-AOP) presents a compelling alternative for environmental engineering applications. Its advantages include operation across a broader pH range, high catalytic performance under ambient temperature and light conditions, elimination of sludge formation, and reduced reagent consumption.