Modifiye edilmiş toz arıtma çamuru kullanılarak biyosorpsiyonla toryum metalinin sulu ortamlardan giderimi
Removal of thorium metal from aqueous solution by biosorption using modified powdered waste sludge
Yazar: MUSTAFA ŞENYURT
Danışman: DOÇ. DR. MUHAMMET YUNUS PAMUKOĞLU ; YRD. DOÇ. DR. BÜLENT KIRKAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Sulu çözeltilerden, toryum gibi radyonüklitlerin alımı çevre kirliliği yönünden önemli bir konudur. Bu çalışmada, sulu çözeltilerden Th(IV) iyonlarının modifiye edilmiş toz arıtma çamuru üzerine adsorpsiyonu incelenmistir. Havalandırma havuzu toz arıtma çamuru örnekleri Dinar Belediyesi Atık Su Arıtma tesisinden (Afyonkarahisar, Turkiye) temin edilmiştir. Modifiye edilen toz arıtma çamuru biyosorbentinin yapısı FTIR, SEM ve BET yüzey alanı yöntemleri ile karakterize edilmiştir. FTIR spektrumunun incelenmesinden modifiye toz atık çamur biyosorbentinin bünyesinde mevcut olan, toryum iyonlarını adsorplayabilecek temel fonksiyonel gruplara sahip oldukları anlaşılmaktadır.
Çalışmada, Toz Arıtma Çamuru (TAÇ) katı faz biyosorbenti kullanılarak sulu çözeltilerden Th (IV) adsorpsiyonunu etkileyen, başlangıç toryum konsantrasyonu, çalkalama süresi, biyokütle miktarı ve sıcaklık gibi parametreler Box Behnken deneysel tasarımı kullanılarak incelenmiş ve optimum alım koşulları saptanmıştır. Yüksek yüzde Th(IV) giderimlerine ulaşılabilmesi için deney süresini yüksek, TAÇ konsantrasyonlarını ise düşük tutmak gerekmektedir. %90' a yakın bir Th(IV) giderimine ulaşabilmek için deney süresi 360 dakika ve TAÇ konsantrasyonunu ise 1 g/L'de tutmak gerekmektedir.
Elde edilen deneysel verilerin Langmuir, Freundlich ve genelleştirilmiş adsorpsiyon izoterm modelleri, Lagergren ve Ho's Kinetik modelleri ile uyumluluğu araştırılmıştır. Korelasyon katsayıları baz alındığında deneysel verileri en iyi doğrulayan izotermin Freundlich izotermi olduğu görülmektedir. Bu sonuç bize biyosorpsiyonun tek tabakalı değil, çok tabakalı olduğunu da göstermektedir. Benzer şekilde adsorban ve kirleticinin etkileşimlerinin sadece fiziksel değil, bunun yanı sıra hem fiziksel hem de kimyasal olduğunu da göstermektedir. Th(IV) iyonunun TAÇ' u kullanılarak biyosorpsiyonla giderilmesinde uygulanan izoterm deneylerinden Langmuir izotermi sonucunda 48.9 mg/g biyosorpsiyon kapasitesi elde edilmiştir. Uygulanan kinetik çalışmalarında ise yalancı ikinci dereceden kinetiklerin daha uyumlu olduğu görülmüştür. Birinci ve ikinci derece hız sabitleri Th(IV) konsantrasyonunun 5 mg/L' den 50 mg/L' a çıkması ile sırası ile 0.454 s-1, 0.120 (mg/g)-1s-1 ve 1.102 s-1, 0.020 (mg/g)-1s-1'e düşmüştür.
Sonuç olarak Th(IV) iyonlarının TAÇ kullanılarak sulu çözeltilerden giderilmesinde etkili sonuçlara ulaşılmıştır. Bunun yanında biyosorbent olarak kullanılan TAÇ ekonomik, etkili ve doğal bir biyosorbenttir. Dolayısı bu yönleri ile çevrenin korunması yönünden diğer ayırma ve arıtma proseslerine göre daha iyi bir seçenek oluşturabilecektir.

Abstract:
The removal of radionuclides such as thorium from aqueous solutions is an important topic in environmental pollution. In this study, adsorption of thorium (IV) ions onto modified powdered waste sludge adsorbent from aqueous solutions was investigated. The ventilation pool powder sludge samples were provided from Dinar Municipality wastewater treatment plant (Afyonkarahisar, Turkey). The structure of the modified powder sludge biosorbents were characterized by FTIR, SEM and BET surface area methodologies. It is concluded from the analysis of FTIR results that the modified powdered waste sludge have primary functional groups which can be adsorbed thorium ions. 
In this study, thorium concentration, shaking time, biorsorbent content and temperature were invastegated and the optimum conditions were determined on the basis of Box-Behnken Experimantal Design by using Powdered Waste Sludge (PWS) from aqueous solutions. To achieve the high percentage Th(IV) removals, the experimental time and PWS concentration should be kept high and low, respectively. To obtain nearly 90% Th(IV) removal, the experimental time and and PWS concentration should be kept 360 minute and 1g/L, respectively. 
Langmuir, Freundlich, generalized adsorption isotherm and Lagergren and Ho's kinetic models compatibility were investigated on the obtained experimental results. It can be seen that the Freundlich isotherm was the best isotherms for confirming the experimental results based on the correlation coefficients. This result shows us that the biosorption was occured as multi-layered not mono-layered. Similarly, it shows that the interaction of adsorbent and contaminant is not only physical as well as both physical and also chemical. 48.9 mg/g biosorption capacity was found by using Langmuir isotherm results which were applied for the removal of Th(IV) ions by using PWS biosorption. The pseudo second order kinetics were more compatible in the applied other kinetic studies. The first and second order rate constants with increasing of Th (IV) concentration from 5 mg/L to 50 mg/L were decreased as 0.454 h-1, 0.120 (mg/g)-1h-1 and 1.102 h-1, 0.020 (mg/g)-1h-1, respectively.
Consequently, it was determined that the effective results for removel of Th(IV) ions by using PWS from aqueous solution. Besides, PWS was economic, effective and natural sorbents used as biosorbent. Therefore, it is able to create a better option than other separation and treatment processes in terms of protection of the environment with those aspects.