Sulu çözeltilerden ağır metallerin uzaklaştırılmasında tavuk tüyünün adsorban olarak kullanılması
The use of chicken feather as an adsorbent in the removal of heavy metals from aqueous solutions
Yazar: HALİL ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. MELTEM DİLEK
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Dünyadaki sanayileşme ve kentleşmenin artmasıyla çeşitliliği ve miktarı sürekli artan evsel ve endüstriyel atıklar doğaya bırakılmaktadır. Bu atıklar su kaynaklarını kirletmekte ve onları kullanılamaz hale getirmektedir. En önemli su kirliliği nedenlerinden birisi de ağır metal içeren endüstri atık sularıdır. Ağır metallerin eser miktarları bile canlılar üzerinde toksik etkiler gösterebilmektedir. Bu kapsamda ağır metalle kirlenmiş suyun saflaştırılması için yeni bir biyokütle kaynağı olan keratin protein lifi kullanımı umut verici bir teknolojidir. Keratin, çeşitli canlı dokulara destek sağlayan son derece dayanıklı ve ağır metallere kolaylıkla bağlanabilen fonksiyonel gruplara sahip bir proteindir. Memeli kılları ve toynakları, memeli ve sürüngen tırnakları ve boynuzları, sürüngen ve balık pulları, kuş tüyleri, kuş gagaları ve çoğu hayvanda en dıştaki deri tabakasının önemli bir bileşenidir. 

Yapılan çalışma kapsamında; kümes hayvanı işleme tesislerinde bol miktarda bulunan, yüksek keratin içeriğine sahip, hayvansal atık materyali olan tavuk tüylerinin sulu çözeltilerdeki ağır metal iyonlarını adsorplama kapasitesi araştırılarak hayvansal atık ürününün bir başka çevre sorunu olan su kirliliğinin giderilmesinde kullanım performansı incelenmiştir. Sulu çözeltilerdeki Al3+, Cr3+, Mn2+, Fe3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, As3+, Cd2+ ve Pb2+ ağır metal iyonlarının tavuk tüyü üzerindeki adsorpsiyon miktarları İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS) ile analiz edilmiştir. Sodyum hidroksitle modifikasyon, pH ve temas süresi etkileri incelenerek adsorpsiyon için optimum şartlar belirlenmiştir. Tavuk tüylerinin karakterizasyonunda; fonksiyonel grup analizi için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), morfolojik analiziler için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve yüzey alanı ile gözeneklilik analizleri için Brunauer-Emmett-Teller (BET) teknikleri kullanılmıştır. Adsorpsiyon işlemine ait kinetik modelin belirlenebilmesi için deneysel veriler yardımı ile yalancı birinci derece kinetik model ve yalancı ikinci derece kinetik model sabitleri ve korelasyon katsayıları incelenmiştir.

Sulu çözeltilerden Al3+, As3+, Cu2+, Zn2+, Fe3+, Cd2+, Cr3+, Pb2+, Mn2+ ve Ni2+ iyonlarının adsorpsiyonu çalışmalarında, 1g/L adsorban miktarı, 22 °C sıcaklık, 300 rpm karıştırma hızı ve 24 saate kadar olan sürelerde gerçekleştirilen deneylerde sodyum hidroksitle modifiye edilmiş tavuk tüylerinde, modifiye edilmemiş tavuk tüylerine kıyasla daha yüksek adsorpsiyon kapasitelerine ulaşılmıştır. Yapılan deneylerde Cu2+, Pb2+, Zn2+ ve Cd2+ iyonlarının en iyi adsorpsiyon kapasiteleri pH 5,5'te sırasıyla 3,59, 2,20, 0,76 ve 0,91 mg/g olarak bulunmuştur. Al3+ ve Cr3+ iyonlarının en iyi adsorpsiyon kapasiteleri ise pH 4,5'te sırasıyla 1,53 ve 2,97 mg/g olarak tespit edilmiştir. Fe3+ ve As3+ iyonlarının doğal çözelti pH'ı olan 1,7'den pH 4,5 ve pH 5,5'e ayarlanmasıyla birlikte artan pH etkisiyle metal iyonlarının hidroksil iyonu olarak büyük oranda çökmesi ve çöken metal hidroksitlerin 0,2 µm'lik Selüloz Asetat (CA) filtreden geçirildikten sonra uzaklaştırılması nedeniyle bu metaller için veri elde edilememiştir. Mn2+ ve Ni2+ iyonlarının ise başlangıç konsantrasyonlarında pH 4,5 ve pH 5,5'te zamanla bir düşüş gözlemlenmemiştir.

Sonuç olarak, tavuk tüylerinin sulu çözeltilerden ağır metal iyonlarının toplu olarak uzaklaştırılmasında etkin bir adsorban olduğu ve su kaynaklarından çevresel kirleticilerin ekonomik bir şekilde uzaklaştırılmasında adsorban olarak kullanılabileceği tespit edilmiştir. Ayrıca tavuk tüylerinin sodyum hidroksitle ultrasonik ortamda modifiye edilmesiyle adsorpsiyon kapasitesinin önemli ölçüde arttırılabileceği gözlemlenmiştir.

Abstract:
With the increase in industrialization and urbanization in the world, domestic and industrial wastes, the variety and amount of which are constantly increasing, are left to nature. These wastes pollute water resources and render them unusable. One of the most important causes of water pollution is industrial wastewater containing heavy metals. Even trace amounts of heavy metals can have toxic effects on living things. In this context, the use of keratin protein fiber, a new biomass source, is a promising technology for the purification of water contaminated with heavy metals. Keratin is a protein with functional groups that are extremely durable and can easily bind to heavy metals, providing support to various living tissues. It is an important component of mammalian hair and hooves, mammalian and reptilian claws and horns, reptile and fish scales, bird feathers, bird beaks, and the outermost layer of skin in most animals.

Within the scope of the study; The use performance of animal waste product in eliminating water pollution, another environmental problem, was investigated by investigating the heavy metal ions adsorbing capacity of chicken feathers, which is an animal waste material with high keratin content, which is abundant in poultry processing plants. Adsorption amounts of heavy metal ions Al3+, Cr3+, Mn2+, Fe3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, As3+, Cd2+ and Pb2+ in aqueous solutions on chicken feathers were analyzed by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). Optimum conditions for adsorption were determined by examining the effects of sodium hydroxide modification, pH and contact time. In the characterization of chicken feathers; Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) was used for functional group analysis, Scanning Electron Microscopy (SEM) for morphological analysis, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) techniques for surface area and porosity analysis. In order to determine the kinetic model of the adsorption process, the pseudo-first-order kinetic model and pseudo-second-order kinetic model constants and correlation coefficients were examined with the help of experimental data.

In the adsorption studies of Al3+, As3+, Cu2+, Zn2+, Fe3+, Cd2+, Cr3+, Pb2+, Mn2+ and Ni2+ ions from aqueous solutions, 1g/L adsorbent amount, 22 °C temperature, 300 rpm stirring speed and up to 24 hours were mixed with sodium hydroxide in experiments. Higher adsorption capacities were achieved in modified chicken feathers compared to unmodified chicken feathers. In the experiments, the best adsorption capacities of Cu2+, Pb2+, Zn2+ and Cd2+  ions were found as 3,59, 2,20, 0,76 and 0,91 mg/g at pH 5,5, respectively. The best adsorption capacities of Al3+ and Cr3+ ions were found to be 1,53 and 2,97 mg/g, respectively, at pH 4,5. With the adjustment of Fe3+ and As3+ ions from the natural solution pH of 1,7 to pH 4,5 and pH 5,5, the metal ions precipitate to a large extent as hydroxyl ions with the increasing pH effect and the precipitated metal hydroxides are formed in 0,2 µm Cellulose. Data for these metals could not be obtained because acetate (CA) was removed after filtration. On the other hand, no decrease was observed in the initial concentrations of Mn2+ and Ni2+ ions at pH 4,5 and pH 5,5 over time.

As a result, it has been determined that chicken feathers are an effective adsorbent in the bulk removal of heavy metal ions from aqueous solutions and can be used as an adsorbent in the economical removal of environmental pollutants from water sources. In addition, it has been observed that the adsorption capacity can be increased significantly by modifying chicken feathers with sodium hydroxide in an ultrasonic environment.