Sulu ortamdan amonyum adsorpsiyonu için atık lastiklerden üretilen karbon bazlı malzemenin izoterm ve kinetiklerinin belirlenmesi
Determination of isotherm and kinetics of carbon-based material produced from waste tires for ammonium adsorption from aqueous media
Yazar: EZGİ MAHÇİÇEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA YİĞİT AVDAN ; DOÇ. DR. ŞENAY BALBAY
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Yeraltı suyu ve yüzey suyundaki amonyum kirliliği, çevre ve insan sağlığına verdiği zararlar nedeniyle dünyanın birçok yerinde büyük endişe kaynağıdır. İstenmeyen kokulara ve çeşitli hastalıklara neden olan amonyak ve amonyum iyonları, atık sularda en sık karşılaşılan azotlu bileşiklerdir. Aşırı amonyum varlığı yeraltı suyu ve yüzey suyunun kalitesini etkileyebilmektedir. Bu nedenle sudan amonyumun giderilmesi gerekmektedir. Su ve atık sudan NH4+ iyonlarını gidermek için iyon değişimi, membran teknolojisi, adsorpsiyon, nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesi, kimyasal çöktürme ve elektrokimyasal ayırma gibi çeşitli teknikler uygulanmaktadır. Bunlardan adsorpsiyon özellikle düşük NH4+-N konsantrasyonlarında su kütlelerinden NH4+-N giderimi için etkili, ucuz ve basit bir teknik olarak kabul edilir. Bu çalışmada atık lastiklerden geri kazandırılmış karbon bazlı malzeme ile sulu çözeltilerden NH4+-N'nin giderilmesi amaçlanmıştır. Karbon bazlı malzemenin özellikleri Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile belirlenmiştir. Temas süresi (0-60 dakika), pH (3-10), adsorban dozajı (0,5-3 g/L) ve başlangıç amonyum konsantrasyonu (5-50 mg/L) gibi parametrelerin etkileri incelenmiştir. Sonuçlar, karbon bazlı malzeme ile amonyum iyonunun uzaklaştırılmasının ilk on dakika içinde hızla gerçekleştiğini, pH'ın amonyum iyonu giderme verimliliği üzerinde bir etkiye sahip olduğunu ve karbon bazlı malzemenin amonyum iyonu giderme verimliliğinin başlangıçtaki amonyum iyonu konsantrasyonundaki artışla azaldığını göstermiştir. Optimum koşullarda, karbon bazlı malzemeyle yaklaşık olarak %80 NH4+-N giderilmiştir. Karbon bazlı malzeme üzerindeki amonyumun adsorpsiyon kinetiği, yalancı ikinci dereceden kinetik modeli (R2= 0,9522-0,999) takip ederken, adsorpsiyon izoterm verileri 30 °C'deki denge verileri için Temkin izoterm modelinin en uygun olduğunu göstermiştir. Ayrıca, termodinamik çalışmalar adsorpsiyonun endotermik bir fiziksel süreç olduğunu, kendiliğinden doğal olarak gerçekleştiğini ve adsorpsiyon boyunca katı çözelti ara yüzünde rastgeleliğin arttığını göstermektedir. FTIR spektrumu KBM adsorbanının NH4+-N'yi adsorpladığını, SEM analizi ise NH4+-N'nin KBM'ye tutunduğu göstermiştir. Bu çalışmadan elde edilen bulgular, atık lastiklerden geri kazandırılmış karbon bazlı malzemenin, amonyumun atık sudan uzaklaştırılması için alternatif bir adsorban olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Ammonium pollution in groundwater and surface water is a major concern in many parts of the world due to the damage it causes to the environment and human health. The ammonia and ammonium ions, which cause undesired odours and several diseases, are the most commonly encountered nitrogenous compounds in wastewaters. The presence of excess ammonium could affect the quality of groundwater and surface water. Therefore, it is necessary to remove ammonium from water. Various techniques such as ion exchange, membrane technology, adsorption, nitrification-denitrification process, chemical precipitation and electrochemical separation have been applied to remove NH4+ ions from water and waste water. Of these, adsorption is considered an effective, inexpensive and simple technique for the removal of NH4+-N from water bodies, especially at low concentrations of NH4+-N. In this study, it was aimed to remove NH4+-N from aqueous solutions with carbon-based material recovered from waste tires. The characteristics of the carbon based material were determined by, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Scanning electron microscopy (SEM). The effects of parameters such as contact time (0-60 min.), pH (3-10), adsorbent dosage (0,5-3 g/L) and initial ammonium concentration (5-50 mg/L) were examined. The results show that ammonium ion removal by carbon based material occurs rapidly within the first ten minutes, pH has an effect on ammonium ion removal efficiency, and the ammonium ion removal efficiency of carbon based material decreases with increase in initial ammonium ion concentration. In optimum conditions, approximately 80% of NH4+-N was removed by carbon-based material. The adsorption kinetics of ammonium on carbon based material followed Pseudo-second order kinetic model (R2=0,9522-0,999) whereas adsorption isotherm data showed that Temkin isotherm model the best fit for the equilibrium data at 30°C. Furthermore, thermodynamic studies show that the adsorption is an endothermic physical process, occurs spontaneously naturally and increasing randomness at the solid-solution interface during adsorption. The FTIR spectrum showed that the KBM adsorbent adsorbs NH4+-N, while SEM analysis showed that NH4+-N clings to KBM. Findings from this study indicated that carbon-based material recovered from waste tires can be used as an alternative adsorbent for the removal of ammonium from aqueous solutions.