Hayvansal atıklardan üretilen biyoçar ve manyetik biyoçarların atık sulardan arsenik temizliğinde biyosorbent olarak performanslarının belirlenmesi
Determination of biosorbent performance of biochar and magnetic biochar derived from animal manure in arsenic remediation from wastewater
Yazar: SEVNUR TURGUT
Danışman: DOÇ. DR. ZUHAL AKYÜREK
Burdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Hayvansal atıkların yenilenebilir enerjiye ve katma değeri yüksek yeşil kimyasallara dönüştürülmesi, toplum ve çevre sağlığının korunması ve atık yönetimi açısından önem taşımaktadır. Ağır metaller arasında arsenik (As), içme suyunda oluşturduğu kirlilik yoluyla insan sağlığı üzerinde kanserojen etkiye sahiptir. Sulardaki arsenik kirliliğinin giderilmesi için yüksek performanslı ve çevredostu adsorbanlara ihtiyaç duyulmaktadır. Yapılan bu çalışmada; hayvansal atıklardan; sığır gübresi (M1), tavuk gübresi (M2) ve koyun gübresinden (M3), yavaş piroliz yöntemi ile üretilen biyoçar (MB1, MB2, MB3) ve manyetik biyoçarların (MMB1, MMB2, MMB3) sulardan arsenik gideriminde biyosorbent olarak performanslarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Atıklar, FeCl3.6H2O çözeltisi ile muamele edilerek manyetik biyokütleler elde edilmiş; biyokütle ve manyetik biyokütlelerin, TGA analizi ile termal bozunumları araştırılmıştır. Atıklar 450 oC sıcaklıkta, 10 °C/dk ısıtma hızında, 100 mL/dk azot gazı akışı altında 2 saat süresince piroliz edilerek biyoçar ve manyetik biyoçarlar üretilmiştir. Biyoçarlar kısmi analiz, elementel analiz, BET yüzey alanı analizi, XRD, FTIR, SEM/EDX analizleri ile karakterize edilmiştir. Sorpsiyon kapasitesi üzerinde; başlangıçtaki As(V) konsantrasyonu (50, 100, 500, 1000, 2000 ppm), pH (5, 7, 9, 11), sıcaklık (22, 40, 60, 80 °C), karıştırma hızı (0, 150, 300 rpm), adsorban dozu (1:20, 1:40, 1:60) gibi parametrelerin etkisi incelenmiştir. Biyoçarlar için adsorpsiyon veriminin başlangıç arsenat konsantrasyonu, sıcaklık, karıştırma hızı ve adsorban dozundaki artış ile arttığı, pH artışı ile azaldığı bulunmuştur. Manyetik biyoçarlar için ise parametrelere bağlı olmaksızın yaklaşık % 100 arsenat adsorpsiyon verimi elde edilmiştir. Adsorpsiyon izotermleri Langmuir ve Freundlich modelleri ile incelenmiştir. Adsorpsiyon kinetiğinin belirlemesi için sözde birinci derece ve sözde ikinci derece kinetik modelleri adsorpsiyon denge verilerine uygulanmıştır. Biyoçar ve manyetik biyoçarlar ile As(V) adsorpsiyonunun ikinci dereceden bir adsorpsiyon süreci olduğu saptanmıştır. Maksimum adsorpsiyon kapasitesi, MMB1, 5,30 mg/g; MMB2, 6,00 mg/g; MMB3, 7,14 mg/g olarak hesaplanmıştır. Desorpsiyon ve yeniden kullanım deneyleri üç döngü halinde, manyetik biyoçarlar için yürütülmüş ve son adsorpsiyon verimleri MMB1, MMB2 ve MMB için sırasıyla % 44,40, % 49,86 ve % 46,00 olarak bulunmuştur.

Abstract:
Conversion of animal waste into renewable energy and high value added green chemicals are important for protecting human and environmental health and waste management. Among heavy metals, arsenic (As) has a carcinogenic effect on human health through pollution in drinking water. High-performance and environmentally friendly adsorbents are required to remediate arsenic pollution in water. In this study; it is aimed to determine the biosorbent performance of animal waste; cattle manure (M1), chicken manure (M2) and sheep manure (M3) biochars (MB1, MB2, MB3) and magnetic biochars (MMB1, MMB2, MMB3) produced by slow pyrolysis method in the removal of arsenic from wastewater. Magnetic biomass were produced by treating the wastes with FeCl3.6H2O solution, and biomass and magnetic biomass were subjected to TGA analysis and their thermal degradation were investigated. Wastes were pyrolized at a temperature of 450 °C, 10°C/min heating rate, under 100 mL/min nitrogen gas flow for 2 hours, to produce biochars and magnetic biochars. The biochars were characterized by proximate analysis, elemental analysis, BET surface area, XRD, FTIR, SEM/EDX analyses. The effect parameters such as initial As(V) concentration (50, 100, 500, 1000, 2000 ppm), pH (5, 7, 9, 11), temperature (22, 40, 60, 80 °C), mixing rate (0, 150, 300 ppm), adsorbent loading (1:20, 1:40, 1:60) on sorption capacity have investigated. Increase in initial arsenate concentration, temperature, mixing rate, adsorbent dose have found to increase the adsorption efficiency, whereas, increase in pH has found to reduce the adsorption effectiveness. Approximately 100 % arsenate adsorption efficiency has achieved in the experiments carried out with magnetic biochars, irrespective of the changing parameters. Adsorption isotherms have studied with Langmuir and Freundlich models. In order to determine the adsorption kinetics, pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models were applied to equilibrium data. The adsorption processes carried out with biochars and magnetic biochars were determined as pseudo-second order. The maximum adsorption capacities of magnetic biochars have calculated as MMB1, 5.30 mg/g; MMB2, 6.00 mg/g; MMB3, 7.14 mg/g. Desorption and regeneration studies were performed in three cycles and adsorption capacities for MMB1, MMB2 ve MMB have obtained as % 44.40, % 49.86 and % 46.00, respectively.