Atıksulardaki kadmiyum(II) ve nikel(II) iyonlarının tekli ve ikili karışımlarının kitosana, kile ve kitosan-kil kompozitine adsorpsiyonunun kesikli ve sürekli sistemlerde incelenmesi
Investigation of the adsorption of single and binary mixtures of cadmium(II) and nickel(II) ions in wastewaters on chitosan, clay and chitosan-clay composite in batch and continuous systems
Yazar: KAZIM SEZER
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, özellikle endüstriyel kaynaklı atıksularda bulunan kadmiyum(II) ve nikel(II) iyonlarının tekli ve ikili karışımlarının sırasıyla kitosana, kile ve kitosan-kil kompozitine adsorpsiyonu kesikli ve sürekli dolgulu kolon sistemlerde incelenmiştir. 
Çalışmada öncelikle kitosan ve montmorillonit kili değişik oranlarda karıştırılarak farklı bileşimlerde kompozit adsorbentler elde edilmiş ve bunlardan kadmiyum(II) ve nikel(II) iyonlarını en yüksek kapasiteyle adsorplayan adsorbent çalışma adsorbenti olarak seçilmiştir. 45:55 (w:w) kitosan:kil oranına sahip en iyi adsorpsiyon kapasitesini gösteren kompozit adsorbent kitosan ve kilin yanında kadmiyum(II) ve nikel(II)  iyonlarının adsorpsiyonunda adsorbent olarak kullanılmıştır. 
Kesikli sistemde yapılan deneysel çalışmalarda öncelikle kadmiyum(II) ve nikel(II)  iyonlarının her bir adsorbente adsorpsiyonunda başlangıç pH'ının adsorpsiyon kapasitesine etkisi incelenmiş ve her bir adsorpsiyon sistemi ve her bir metal iyonu için çalışma pH'ı 6.0 olarak bulunmuştur. Her bir metal iyonu-adsorbent sistemi için başlangıç metal iyonu derişiminin 200 mg/L'ye artmasıyla adsorpsiyon kapasitesinin arttığı, adsorpsiyon veriminin ise azaldığı saptanmıştır. Kitosan, kil ve kitosan-kil kompozit adsorbentlerin kadmiyum(II) ve nikel(II) adsorpsiyonunda kullanılması ile elde edilen en yüksek adsorpsiyon kapasite değerleri sırasıyla 53,33 mg Cd+2/g, 47,17 mg Ni+2/g, 17,57 mg Cd+2/g, 16,14 mg Ni+2/g, 32,56 mg Cd+2/g, 29,13 mg Ni+2/g, olarak bulunmuştur. Adsorpsiyon dengesinin matematiksel olarak tanımlanmasında her bir metal iyonu-adsorbent sistemi için Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon modelleri kullanılmış ve Langmuir modelinin tüm metal iyonu-adsorbent sistemlerini daha iyi tanımladığı gözlenmiştir.  Bütün metal iyonu-adsorbent sistemlerinde adsorpsiyon kinetiğinin en iyi ikinci derece kinetik modele uyduğu görülmüştür. Her bir metal iyonu-adsorbent sistemi için derişime bağlı olarak dış taraf kütle aktarım katsayıları ve iç difüzyon hız sabiti değerleri de saptanmıştır. 
Kesikli sistemdeki çalışmaların ikinci kısmında kadmiyum(II)-nikel(II) karışımlarının kitosan-kil kompozitine adsorpsiyonunda bileşenlerden birinin derişimi sabit tutulup diğerinin derişimi değiştirilerek, birinci bileşenin ikinci bileşenin adsorpsiyon kapasitesini nasıl etkilediği araştırılmıştır. Ortamdaki kadmiyum(II) varlığı nikel(II) adsorpsiyonunu artırırken (sinerjik etki), nikel(II) varlığı kadmiyum(II) adsorpsiyonunu azaltmıştır (antagonistik etki).
Kitosan-kil kompozit adsorbentle tekli ve ikili metal iyonu karışımlarıyla gerçekleştirilen dolgulu kolon çalışmalarında, öncelikle 100 mg/L kadmiyum(II) besleme derişiminde akış hızının kolon kapasitesine etkisi araştırılmış ve 1,2 mL/dk akış hızında en yüksek kolon kapasitesi ve kolon performansı değerleri bulunmuştur. Kolondaki diğer tüm çalışmalar bu akış hızında gerçekleştirilmiştir. Bu akış hızında her bir metal iyonunun besleme derişiminin 200 mg/L'ye kadar artırılmasıyla, dengede ve toplam adsorplanan miktarların arttığı, kolon verimliliğinin ise azaldığı gözlenmiştir. Her bir bileşen için kolon kırılma eğrilerinin tahmin edilmesi ve kinetik sabitlerin bulunması için Adams-Bohart (veya Wolborska), Thomas ve Yoon-Nelson modelleri deneysel verilere uygulanmış, son iki modelin deneysel kırılma eğrilerini daha iyi tahmin ettiği gözlenmiştir. Kadmiyum(II)-nikel(II) ikili karışımlarının kitosan-kil kompozitine dolgulu kolon adsorpsiyonunda kesikli sistemdekine benzer olarak ortamdaki kadmiyum(II) varlığı nikel(II) adsorpsiyonunu artırırken (sinerjik etki), nikel(II) varlığı kadmiyum(II) adsorpsiyonunu azaltmıştır (antagonistik etki). 
Kesikli sistemde adsorpsiyon işleminden sonra kitosan-kil kompozitinin tekrar kullanılabilirliğini araştırmak üzere yapılan desorpsiyon çalışması elde edilen kompozit adsorbentin tekrar kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this dissertation the adsorption of single and binary mixtures of cadmium(II) and nickel(II) ions, especially present in industrial wastewaters on chitosan, clay, and chitosan-clay composite was investigated in a batch and continuous packed bed column. 
In this study firstly composite adsorbents were obtained by mixing of chitosan and montmorillonit clay in different ratio and the one which had maximum adsorption capacity for cadmium(II) and nickel(II) ions was selected as working adsorbent. Best yield composite adsorbent 45:55 (w:w) chitosan:clay was used together with chitosan and clay in the adsorption of cadmium(II) and nickel(II) ions as adsorbent.
In batch system studies firstly the effect of initial pH on the adsorption capacity of  cadmium(II) and nickel(II) ions for each adsorbent was investigated and working pH was determined as 6.0 for each adsorption system and metal ions. For each metal ion-adsorbent system it was observed that adsorption capacity increased and adsorption yield decreased with increasing initial metal ion concentration up to 200 mg/L. Maximum adsorption capacity of chitosan, clay and chitosan-clay composite in cadmium(II) and nickel(II) adsorption was found as 53,33 mg Cd2+/g, 47,17 mg Ni2+/g, 17,57 mg Cd2+/g, 16,14 Ni2+/g,  32,56 Cd2+/g,  29,13 Ni2+/g  respectively. 
Lagmuir, Freundlich adsorption models were used to define adsorption equilibrium mathematically and it was observed that Langmuir model correlated all metal ion-adsorbent systems. For all metal ion-adsorbent systems it was concluded that second order adsorption model correlated the adsorption kinetics. For each metal ion-adsorbent sytem external mass transfer coefficients and internal diffusion rate constants were determined depending on the initial concentration. 
In the second part of batch system adsorption of cadmium(II)-nickel(II) binary mixtures onto chitosan-clay composite it was investigated how the first component affects the second's adsorption capacity by the concentration of one of the components keeping constant while the other's changing. The existence of cadmium(II) increased the nickel(II) adsorption (synergistic effect), whereas the existence of nickel(II) decreased the cadmium(II) adsorption (antagonistic effect).
In packed bed colunm studies adsorption of single and binary mixture metal ion onto chitosan-clay composite firstly at the 100 mg/L cadmium(II) feeding inlet concentration effect of flow rate on the column capacity was investigated and maximum capacity and performance values of column were obtained at 1,2 mL/min flow rate.  All other studies in the column was performed at this flow rate. At this flow rate for both components,  it was observed that equilibrium and total adsorption capacity increased while performance of column decreased with increasing feeding inlet concentration up to 200 mg/L. Adams-Bohart (or Wolborska), Thomas, and Yoon-Nelson models, were applied to column data in order to determine the column kinetic constants and to predict breakthrough curves. It was observed that last two model predict breakthrough curves better. In the packed bed column adsorption of cadmium(II) and nickel(II) binary mixtures onto chitosan-clay composite, like batch system existence of cadmium(II) increased the nickel(II) adsorption (synergistic effect), whereas the existence of nickel(II) decreased the cadmium(II) adsorption (antagonistic effect). After the adsorption process, to determine the reusability of the chitosan-clay composite desorption studies also were made and it was shown of reusability of composite.