Bazı organik maddelerin adsorpsiyon-filtrasyon ve adsorpsiyon-membran hibrid sistemleri ile sulardan uzaklaştırılması
Removal of some organic substances from water through adsorption?filtration and adsorption-membrane hybrid systems
Yazar: MUHAMMAD ZAHOOR
Danışman: PROF. DR. MEHMET MAHRAMANLİOĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry

Özet:
Pestisidler, yüzey aktif maddeler ve diğer organik bileşikler düşük konsantrasyonda bile yüksek toksisiteleri nedeniyle çevresel zararlara neden olmaktadır. Bu organik bileşikleri sulardan uzaklaştırmak için birçok metod vardır. Bunların arasında filtrasyon ve membran prosesleri çok yaygın kullanılan tekniklerdir. Membran prosesleri son birkaç yılda kullanılmakta ve içme suyu üretiminde etkili olmaktadır.Bir membran patojenik mikroorganizmaları ve kolloidal tanecikleri hemen hemen tamamen eleyebilecek şekilde çalışır. Bununla beraber konsantrasyon polarizasyonu ve organik maddelerin neden olduğu kirlilik bu proseslerin etkinliğine etki eder. Kirlenme nedeni ile akımda uzun dönemde kademeli olarak bir azalma gözlenmektedir. Sedimentasyon sonrası pıhtılaştırma, hava flotasyonu sonrası pıhtılaştırma gibi prosesler ve aktif karbon adsorpsiyonu bu kirlilikleri uzaklaştırmak için ileri sürülmektedir. Kirlilik kontrolu için toz aktif karbon ile ön muamele etkin metod olarak kabul edilmiştir. Membran prosesinde, oluşan toz aktif karbon (PAC) tabakasının akışı etkilemediği kabul edilmiştir. Son araştırmalara göre, PAC membran yüzeyinde kek oluşumuna neden olarak geri yıkama zamanını uzatmaktadır. Membran sisteminde akışmetre ve boruların da kararmasına neden olmaktadır. Magnetik adsorbentler akımlarda organik ve inorganik bileşiklerin uzaklaştırılmasında kullanılmakta olup arıtma işlemlerinde kullanıldıktan sonra basit magnetik prosesler ile ortamdan uzaklaştırılmaktadır. Demiroksit membran proseslerinde kirlilik kontrolünde etkilidir fakat PAC ile karşılaştırılnca düşük yüzey alanına sahiptir. Magnetik özelliklere sahip ve yüzey alanı PAC ile karşılaştırılacak adsorbentlere ihtiyaç vardır. İmpregnasyon adsorbentleri geliştirmek için seçilen bir metoddur. Granüler aktif karbon filtreleri membran proseslerinde kirlilik kontrolunda kullanılacak diğer alternatiftir.Bu çalışmada bir demiroksit/PAC konmpoziti hazırlandı ve kirlilik kontrolunda kullanıldı. Çalışmada kullanılan PAC ve magnetik aktif karbon (MAC); FTIR, yüzey alanı analiz cihazı, sıfır yük noktası, Boehm titrasyonu ve XRD ile karakterize edildi. Bu adsorbentlerin adsorpsiyon parametreleri belirlendi. Kinetik parametreleri belirlemek için özel olarak tasarlanmış bir reaktör kulanıldı.Polietersülfon UF membranlar kullanıldığı zaman akım düşüşü ve organik kirleticilerin membran tarafından çekilme yüzdesi belirlendi. Organik kirleticilere, UF membrandan önce PAC veya MAC ile reaktörde muamele edildiğinde veya GAC filtresi uygulandığında alıkonma yüzdesinin ve akımın arttığı görüldü. UF/MAC hibrit sisteminde bu alıkonma yüzdesi UF/PAC sistemindekine yakın bulundu. MAC'nin yüzey alanı PAC'den küçük olduğundan bazı küçük farklılıklar görüldü. MAC/UF sistemi ön arıtmada yüksek adsorpsiyon kapasitesi ve ortama magnetik alan uygulanarak ortamdan kolayca alınması nedeniyle kullanılabilir. Kek oluşumu ve boruların kararması gibi problemler de MAC için gözlenmedi.

Abstract:
Pesticides, surface active agents and other organic compounds cause environmental hazards due to their high degree of toxicity, even at low concentrations. There are many methods to remove these organic compounds from water. Amongst them filtration and membrane systems are widely used techniques to remove organic substances from water. Membrane processes are being in use for few decades and proved efficient in drinking water production.A membrane serves as a nearly complete barrier to pathogenic microorganism and colloidal particles. However, concentration polarization and fouling by organic contaminants affects the efficiency of these processes. A gradual reduction in flux has been observed in long term applications due to fouling. Pretreatments like coagulation followed by sedimentation, coagulation followed by dissolved air flotation, and activated carbon adsorption to remove foulants (mainly organic matter) have been suggested. The pretreatment with powdered activated carbon (PAC) is considered the most effective method for foul control. It was assumed that the PAC formed porous layer on the membrane surface which did not affect the flux. However, a decline in flux due to cake formation on membrane surface has been observed recently. Cake formation over the membrane surface lengthens the back washing time. It also causes blackening of the flow meter and pipes of the membrane system. Magnetic adsorbents have been used to remove organic and inorganic pollutants from effluents and after their use in treatment; they can be separated from the medium by a simple magnetic process. Iron oxide is efficient against foul control in the membrane processes but it has low surface area as compared to PAC. There is need for such adsorbents having magnetic properties and comparative surface area as that of PAC. Impregnation is the method of choice for developing such adsorbents. Granular activated carbon filters are the other alternative to be used for foul control in the membrane processes.In this study an iron oxide/PAC composite was prepared, characterized and used as foul controlling agent. The adsorptive capacities of PAC and magnetic activated carbon (MAC) for different organic pollutants were determined. These adsorbents were then used as pretreatment for foul control in the ultrafiltration membrane processes. Granular activated carbon filters were also tested for foul control. PAC and MAC used in this study were characterized by FTIR, surface area analyzer, point of zero charge, Boehm titration and XRD. The adsorption parameters for these adsorbents were determined. In order to determine the kinetic parameters, a specially designed container was used.Polyethersulfone ultrafiltration (UF) membranes were used in this study and parameters like flux decline with time and percent retention of organic pollutants by membrane was determined. Improved flux and percent retention were observed when ultrafiltration membrane was used in combination with GAC filter and with continuous stirred rector where organic pollutants solutions were treated with PAC and MAC. The percent rejection in the hybrid UF/MAC process was almost equal to that of UF/PAC for each substance. The same trend was observed for the improvement of permeate flux in both the processes. The little differences were due lower surface area of MAC than the PAC. MAC can be used as pretreatment in UF systems because it has high adsorption capacity and it can be separated easily from medium by application of magnetic field. The problems like cake formation and blackening of the pipes were not observed for MAC.