Asit aktive nano bentonit kullanılarak sulu çözeltilerden kafein adsorpsiyonunda reaksiyon değişkenlerinin
Optimization of reaction variables for caffeine adsorption from aqueous solutions using acid activated nano bentonite
Yazar: MERVE FAKİOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. YASEMEN KALPAKLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Bentonit = Bentonite ; Kafein = Caffeine ; Kinetik = Kinetics ; Reaksiyon = Reaction ; Termodinamik = Thermodynamics

Özet:
Etkileri yeni keşfedilen kafein gibi yeni ortaya çıkan kirleticilerin uzun süreli maruziyetler sonucunda çeşitli çevre ve sağlık sorunlarına yol açması bu kirleticilerin su ve atık sudan uzaklaştırılması için dikkat çekici bir çalışma haline gelmiştir. Adsorpsiyon diğer ayırma yöntemleri ile karşılaştırıldığında basitliği sebebiyle en çok tercih edilen ve atık suyu arıtmasında oldukça etkili bir teknolojidir. Bu çalışmada, kafeinin sulu çözeltiden adsorpsiyonu için H2SO4 ile modifiye edilmiş Ca-Bentonit kili kullanılmıştır. Ca-bentonitin kimaysal bileşimi XRF cihazı ile tespit edilmiştir. Standart tek nokta yöntemi kullanılarak belirlenen BET yüzey alanı 300,9739 m2/g, por çapı 8,2580 nm ve zeta potansiyeli -11,4 mV olarak ölçülmüştür. Deneysel çalışmalarda pH, temas süresi, sıcaklık ve adsorbent konsantrasyonu parametreleri optimum proses koşullarını bulmak için değiştirilmiştir. Bentonit karakterizasyon değerlendirmesi adsorpsiyon öncesi ve sonrasında, FT-IR, XRD ve SEM-EDS gibi bir dizi karakterizasyon tekniği ile incelenmiştir.  İzotermal davranış, adsorpsiyon kinetiği, mekanizması ve termodinamik parametreler kesikli modda incelenmiştir ve kinetik veriler yalancı birinci ve yalancı ikinci mertebeden kinetik modeller kullanılarak tanımlanmış olup yalancı ikinci mertebeden model ile en iyi uyum yakalandığı tespit edilmiştir. Deneysel sonuçlar ile tespit edilen R² değerinin 0,9459 olarak en yüksek tespit edildiği adsorpsiyon izoterm modeli Langmuir modeli olup bu model ile en iyi uyumu gösterdiği tespit edilmiştir. Farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilen deneysel çalışmalar ile adsorpsiyonun sıcaklığa bağlılığı ve reaksiyonun optimum sıcaklık koşulu belirlenmiştir. 298, 308 ve 318 K sıcaklıklarında gerçekleştirilen termodinamik çalışmalarda ise ΔG°<0 olduğu için tepkimeye dışarıdan enerji verilmeden kendiliğinden yürüdüğü yani ekzotermik özellik gösterdiği sonucuna varılmıştır. Kafeinin adsorbent üzerine difüzyon mekanizması, Weber ve Morris tarafından önerilen partikül içi difüzyon modeli uygulanarak araştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kafein, Ca-bentonit, adsorpsiyon, kinetik, termodinamik

Abstract:
The fact that newly emerging pollutants such as caffeine, whose effects have been            discovered, cause various environmental and health problems as a result of long-term exposure, has become a remarkable study for the removal of these pollutants from water and wastewater. Compared to other separation methods, adsorption is the most preferred technology due to its simplicity and is a very effective technology in wastewater treatment. In this study, Ca-Bentonite clay modified with H2SO4 was used for the adsorption of caffeine from aqueous solution. The chemical composition of Ca-bentonite was determined by XRF device. The BET surface area determined using the standard single point method was measured as 300.9739 m2/g, the pore diameter was 8.2580 nm and the zeta potential was -11.4 mV. In experimental studies, the parameters of pH, contact time, temperature and adsorbent concentration were changed to find the optimum process conditions. Bentonite characterization assessment was investigated before and after adsorption by a series of characterization techniques such as FT-IR, XRD and SEM-EDS. Isothermal behavior, adsorption kinetics, mechanism and thermodynamic    parameters were investigated in discrete mode, and the kinetic data were defined using pseudo-first and pseudo-second-order kinetic models, and it was found that the best fit was obtained with the pseudo-second-order model. The adsorption isotherm model with the highest R² value of 0.9459, which was determined by the experimental results, was the Langmuir model and it was determined that it showed the best fit with this model. The temperature dependence of adsorption and the optimum temperature condition of the reaction were determined by experimental studies carried out at different temperatures. In thermodynamic studies carried out at 298, 308 and 318 K temperatures, it was             concluded that the reaction proceeded spontaneously without external energy, that is, it showed exothermic properties, since ΔG°<0. The diffusion mechanism of caffeine on the adsorbent was investigated by applying the intraparticle diffusion model proposed by Weber and Morris.
Keywords: Caffeine, Ca-bentonite, adsorption, kinetics, thermodynamics