Sentetik reçineler ile sularda bulunan arseniğin giderilmesinde fizikokimyasal parametrelerin uygulanması
Application of physicochemical parameters on removal of arsenic in water by using synthetic resins
Yazar: SEVTAP KARAKURT
Danışman: PROF. DR. EROL PEHLİVAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Arsenik, yerkabuğunda doğal olarak bulunabildiği gibi endüstriyel faaliyetler sonucunda da açığa çıkabilen bir elementtir. Organik veya inorganik formlarda rastlanan arseniğin inorganik formları çok daha zararlıdır. İnorganik formdaki arsenit veya arsenat bileşikleri kayaçlardan çözünerek veya volkanik faaliyetler sonucunda yeraltısularına ve sonrasında yüzey sularına karışabilmektedir. Ayrıca, pestisitler ve ahşap koruyucu malzemelerin üretimi ve madencilik faaliyetleri sulara arsenik salınımına neden olmaktadır. Gıdalar ve içmesuları vasıtasıyla arsenik vücuda alınmakta ve bu aşamada toksik etki oluşturmaktadır. 
İnsani tüketim amaçlı sular kapsamında, sularda bulunan ağır metal konsantrasyonlarının belli limit değerlerin altında olması gerekmektedir. Arsenik için bu limit değeri 10 µg/L olarak belirlenmiştir. Bu sebeple, içme suyu amaçlı kullanılan sularda arsenik değeri yüksek ise, belli giderim yöntemleri kullanılarak bu değerin kabul edilebilir değerlere çekilmesi gerekmektedir. Bu tezde çalışılan iyon değişim metodu, etkin giderim verimi ve uygulama kolaylığından dolayı tercih edilen bir arsenik giderim metodudur.  
Bu tezin amacı, sentetik sulardan yüksek arsenik konsantrasyonunu düşürmek amacıyla sentetik reçinelerin kullanılması ve arsenik giderimine reaksiyon süresinin, pH'ın, başlangıç arsenik konsantrasyonunun ve kullanılan iyon değişim reçinesi miktarının etkisini araştırmaktır. Sularda anyonik formda bulunan arseniğin giderimi amacıyla, Purolite A400 ve Lewatit Monoplus M600 kuvvetli bazik anyon değişim reçineleri ve Lewatit Monoplus MP64, Lewatit FO36, Selion ASR3300FG ve Lewatit Sybron Ionac SR7 zayıf bazik anyon değişim reçineleri çalışılmıştır. Arsenik giderim miktarının arttırılması için tezde Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64 reçinelerinin modifikasyonu yapılmıştır. Adsorpsiyon deneylerinde denge ve kinetik parametreler çıkarılmıştır. Temas süresinin arsenik sorpsiyonuna etkisi için yalancı-birinci ve yalancı-ikinci derece kinetik denklemleri uygulanmış ve prosesin kinetiği incelenmiştir. Sorpsiyona pH, başlangıç arsenik konsantrasyonu ve iyon değişim reçinelerinin miktarı gibi parametrelerin giderim üzerindeki etkileri değerlendirilerek Freundlich ve Langmuir sorpsiyon izotermleri çıkarılarak reçineler için sorpsiyon kapasiteleri bulunmuştur. Belirlenen optimum iyon değişim reçinesi miktarı, arsenik içerdiği bilinen Aksaray Bölgesine ait bir yüzey suyu numunesine uygulanmış ve suda bulunan farklı iyonların ve matriks etkisinden dolayı arsenik giderim oranlarında düşüş gözlenmiştir. 
Çalışılan altı adet anyon değişim reçinesinden adsorpsiyon kapasitesi düşük olan ikisi (Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64) seçilerek bunların önce demirin arseniği bağlama özelliğinden dolayı FeCl3 ile modifikasyonu çalışılmıştır. Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64 reçineleri iki aktif amin grubu bulundurmasından dolayı lizin aminoasidi ile modifiye edilmiş ve lizin aminoasidi ile modifikasyonun FeCl3 modifikasyonuna göre daha yüksek giderim oranları verdiği bulunmuştur. Lizin aminoasidi ile modifiye edilen reçinelerin arsenik sorpsiyonuna temas süresi etkisi incelenmiş ve proses kinetiği yalancı-birinci ve yalancı-ikinci derece kinetik denklemlerine göre değerlendirilmiştir. Lizin ile modifiye edilen reçinelerin arsenik sorpsiyonuna başlangıç arsenik konsantrasyonu ve reçine miktarının etkisi incelenmiş ve Freundlich ve Langmuir sorpsiyon izotermleri çıkarılarak sorpsiyon parametreleri belirlenmiştir. Lizin ile modifikasyon sonrası, modifiye Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64 reçinelerinin optimum miktarında aynı şartlardaki modifiye edilmemiş reçinelere kıyasla düşüş belirlenmiş olup modifikasyon yapılan reçinelerde daha düşük bir dozajlama miktarı gerektiği ortaya konmuştur. 
Son olarak, yapılan hücre kültürü çalışmasının ilk aşamasında, 100 µg/L'lik arsenik çözeltisi, Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64 reçineleri ile ve lizin ile modifiye edilen Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64 reçineleri ile muamele edilerek suyun emiliminin gerçekleştiği kolon hücresine uygulanmıştır. Hücre kültürü çalışmasının ikinci aşamasında 100 µg/L'lik arsenik çözeltisi, demir oksit hidroksitli ve demir oksitli Lewatit FO36 ve Selion ASRFG3300 reçineleri ile ve lizin ile modifiye edilen Lewatit FO36 ve Selion ASRFG3300 reçineleri ile muamele edilerek kolon hücresine uygulanmıştır. Çalışmalar sonucunda, lizin aminoasidi ile modifikasyonun hücre canlılığını daha uzun süre koruduğunu ve toksisitede azalmaya sebep olduğu bulunmuştur.

Abstract:
Arsenic is an element that can reveal as a result of industrial activities besides being naturally present in earth crust. Arsenic can be met in organic or inorganic forms, whose inorganic forms are much more hazardous. Inorganic arsenite or arsenate compounds mix with underground waters by dissolution from rocks or by volcanic activities and later mix with surface waters. Furthermore, productions of pesticides and wood preservatives and mining activities cause arsenic release. Through foods and drinking waters, arsenic is ingested and at this stage it presents toxic effect.
Within the scope of water intended for human consumption, trace metal concentration in water must be provided below a limit value. For arsenic, this limit value was determined to be 10 µg/L. For that reason, if the arsenic concentration is high in water that is intended for drinking water, this concentration must be declined to acceptable limits by using several removal methods. Ion exchange method that is the subject of this thesis is a preferred arsenic removal method because of its effective removal rate and ease of application. 
The aim of this thesis is the utilization of synthetic resins for decreasing this high concentration of arsenic in synthetic waters and determination of the effects of reaction time, pH, initial arsenic concentration and amount of ion exchange resin on arsenic removal. In order to remove arsenic that exist in anionic form in waters strongly basic anion exchange resins Purolite A400 and Lewatit Monoplus M600, and weakly basic anion exchange resins Lewatit Monoplus MP64, Lewatit FO36, Selion ASR3300FG and Lewatit Sybron Ionac SR7 were studied. In order to increase the arsenic removal rates Purolite A400 and Lewatit Monoplus MP64 resins were modified. During the adsorption experiments, equilibrium and kinetic parameters were calculated. The process kinetics was investigated by the application of pseudo-first order and pseudo-second order kinetic equations. The effects of the parameters like pH, initial arsenic concentration and ion exchange resin amount on the removal were investigated and by working on Freundlich and Langmuir sorption isotherms, sorption parameter for these systems were determined. The determined optimum ion exchange resin amounts were applied to a surface water at Aksaray region that is known to have high arsenic and because of the matrix effect decreases in removal rates were observed. 
Çalışılan altı adet anyon değişim reçinesinden adsorpsiyon kapasitesi düşük olan ikisi (Purolite A400 ve Lewatit Monoplus MP64) seçilerek bunların önce demirin arseniği bağlama özelliğinden dolayı FeCl3 ile modifikasyonu çalışılmıştır. Two of the six anion exchange resins with low adsorption capacities (Purolite A400 and Lewatit Monoplus MP64) were selected firstly for modification with FeCl3 because of the arsenic binding property of iron. Later Purolite A400 and Lewatit Monoplus MP64 resins were modified with lysine aminoacid which contains two active amine groups and it was found that modification with lysine aminoacid gave higher removal rates when compared with modification with FeCl3. The effect of contact time on arsenic sorption of lysine modified resins were investigated and the process kinetics were evaluated according to pseudo-first order and pseudo-second order kinetic equations. The effects of initial arsenic concentration and resin amount on arsenic sortion of lysine modified resins were investigated and the sorption parameters were determined by working on Freundlich and Langmuir sorption isotherms. Further to modification with lysine, decreases in optimum resin amount of modified Purolite A400 and Lewatit Monoplus MP64 resins were determined when compared with unmodified resins, eventually it was proven that less amount of dosing is required at the end of modification.
Finally, by the first stage of cell culture study, 100 µg/L arsenic solution was treated with Purolite A400 and Lewatit Monoplus MP64 resins and lysine modified Purolite A400 and Lewatit Monoplus MP64 resins and applied to the colon cell that is the area of absorption of water in the body. At the second stage of the cell culture study, 100 µg/L arsenic solution was treated with Lewatit FO36 and Selion ASRFG3300  resins and lysine modified Lewatit FO36 and Selion ASRFG3300 resins and applied to the colon cell. At the end of the studies, it was proven that modification with lysine keeps the cell viability longer and causes a decrease in toxicity.