Yüzey aktif maddeler ile aktive edilmiş kalsiyum aljinat boncuklarının yağlı atıksu arıtımında kullanım potansiyelinin araştırılması
Investigation of potential usage for oily wastewater treatment with calcium alginate beads activated by surface active materials
Yazar: ZEYNEP BİLİCİ
Danışman: PROF. DR. NADİR DİZGE
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Yağ içeren atıksular gerek arıtma ekipmanlarına verdiği zararlar gerekse de arıtılma zorlukları nedeniyle Çevre Mühendisliği alanında problem teşkil eden konular arasında yer almaktadır. Yağ içeren atıksular içerdikleri yağın kimyasal yapısına, yağın konsantrasyonuna ve yağın suda serbest, emülsiyon veya çözünmüş halde bulunma durumlarına göre fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemlerle arıtılabilmektedirler. Günümüze kadar atıksudan yağ giderme işlemleri için birçok değişik yöntem geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Ancak klasik yöntemlerle 20 µm'nin üzerindeki zerrecikler giderildiğinde dahi atıksu içerisinde 10 mg/L miktarda çözünmüş yağ kalmaktadır. Bu nedenle düşük konsantrasyonlarda yağ giderimi için yeni yöntemlerin geliştirilmesi gerekmektedir. 
Ekonomik olarak ucuz, kolay bulunabilir, biyobozunabilir bir malzeme olan kalsiyum aljinat (Ca-Alg) boncuklar anyonik ve katyonik yüzey aktif maddeler ile aktive edilerek atıksulardan yağ giderimi için kullanılmıştır. İlk olarak, karboksil (COO-) ve hidroksil (OH-) grupları içeren negatif yüzeye sahip aljinat boncuklar pozitif yüzey yüküne sahip katyonik yüzey aktif madde (KYAM) (Setil Trimetil Amonyum Bromür, CTAB)ile aktive edilerek yağ adsorpsiyonu gerçekleştirilmiştir. Bunun için, %2'lik Ca-Alg boncuklar trimetildodesil amonyum klorür KYAM ile aktive edilmiştir. İkinci olarak, sodyum dodesil sülfat (SDS) anyonik yüzey aktif madde (AYAM) olarak kullanılmıştır. Polietilenimin (PEI) kimyasal bağlayıcısı, AYAM'ın aljinat yüzeyine bağlanması için kullanılmıştır. Bunun için, %2'lik Ca-Alg boncuklar önce PEI ile daha sonra SDS ile fonksiyonelleştirilmiştir. Fonksiyonelleştirilmiş boncuklar250, 500, 1000 mg/L yağ içeren atıksu arıtımında yağ giderim performansı için test edilmiştir.
YAM konsantrasyonları 25, 50, 100 mg/L olacak şekilde hazırlanmış ve 1, 2, 4, 6, 24 saat süreyle Ca-Alg boncukları ile muamele edilmiştir. SDS bağlanma verimi 6. saat sonunda dengeye ulaşmış olup 24. saatin sonunda 25, 50, 100 mg/L SDS için sırasıyla %84, %72, %48 bağlanma verimlerine ulaşılmıştır. CTAB bağlanma verimi ise ilk 1 saat içerisinde dengeye ulaşmış olup 24. saatin sonunda 25, 50, 100 mg/L CTAB için sırasıyla %81, %59, %52 bağlanma verimlerine ulaşılmıştır. pH'ın yağ adsorpsiyonu üzerine etkisi de incelenmiş olup yağlı atıksuyun pH'ı 2, 4, 6, 8, 10'a ayarlanarak adsorpsiyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Maksimum adsorpsiyon verimi (%17) pH 6-8 aralığında elde edilmiştir. Yağ adsorpsiyonu için optimum pH değeri tespit edildikten sonra 2.5-30 g/L aralığında boncuk miktarının yağ giderim verimi üzerine olan etkisi araştırılmıştır. Boncuk miktarı 2.5 g/L'den 30 g/L'ye arttığında yağ adsorpsiyon verimi %17'den %48'e artmıştır. Boncuk boyutu 4 mm'den 1 mm'ye küçüldüğünde ise yağ adsorpsiyon veriminin arttığı görülmüştür. Kinetik hesabı için 3 farklı konsantrasyonda(250, 500, 1000 mg/L) yağlı çözelti hazırlanmış ve zamana karşı yağ adsorpsiyonu incelenmiştir. Başlangıç yağ konsantrasyonu 250-1000 mg/L aralığında değişen yağlı çözeltinin SDS ile fonksiyonelleştirilmiş Ca-Alg boncuklara adsorpsiyonu için kinetik çalışmalar 2. dereceden kinetiğe uyumluluk göstermiştir. Başlangıç yağ konsantrasyonu 250 mg/L'den 1000 mg/L'e çıktığında adsorplanan yağ moleküllerinin miktarı 8.33 mg/g'dan 22.67 mg/g'a yükselmiştir. Adsorbent ile adsorbatın birbirleri ile olan ilişkisini açıklamak için Langmuir ve Freundlich izoterm modelleri uygulanmış olup yüksek regresyon katsayısı (r2) değerinden dolayı en uygun modelin Freundlich olduğu sonucuna varılmıştır. Çalışmada kolon çalışmaları da gerçekleştirilmiş olup önerilen adsorbentin yağlı atıksuların arıtımında etkin bir şekilde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Oil-containing wastewater is a problem in Environmental Engineering due to the damages to the treatment equipment as well as the treatment difficulties. Wastewater containing oil can be treated by physical, chemical, and biological methods according to the chemical structure of the oil and the presence of the oil can be in the water in free, emulsion, or dissolved form. To date, many different methods have been developed and applied for removing of oil from wastewater. However, even when particles over 20 µm are removed by conventional methods, 10 mg/L dissolved oil remains in the wastewater. Therefore, new methods for removing at low concentrations need to be developed.
Calcium alginate (Ca-Alg) beads, an inexpensive, easily available, biodegradable material, were activated with anionic and cationic surfactants and used for degreasing from wastewater. Firstly, alginate beads having negative surface containing carboxyl (COO-) and hydroxyl (OH-) groups were activated by cationic surfactant (KYAM) having positive surface charge (Cethyl Trimethyl Ammonium Bromide, CTAB) and oil adsorption was performed. For this, 2% Ca-Alg beads were activated with trimethyldodecyl ammonium chloride KYAM. Second, sodium dodecyl sulfate (SDS) will be used as anionic surfactant (AYAM). Polyethyleneimine (PEI) chemical binder was used to bind AYAM to the alginate surface. For this purpose, 2% Ca-Alga beads were first functionalized with PEI and then with SDS. The functionalized beads were tested for degreasing performance in wastewater treatment containing 250, 500, 1000 mg/L oil.
YAM concentrations were prepared at 25, 50, 100 mg/L and treated with Ca-Alga beads for 1, 2, 4, 6, 24 h. SDS binding yield reached equilibrium at the end of the 6th hour and at the end of the 24th hour, the binding efficiencies of 25, 50, 100 mg/L SDS were 84%, 72%, 48% respectively. CTAB binding efficiency reached equilibrium in the first 1 hour and at the end of the 24th hour, binding efficiencies of 25, 50, 100 mg/L for CTAB were 81%, 59%, 52% respectively. The effect of pH on oil adsorption was also investigated and adsorption experiments were carried out by adjusting the pH of oily wastewater to 2, 4, 6, 8, 10. Maximum adsorption efficiency (17%) was obtained in the range of pH 6-8. After determining the optimum pH value for oil adsorption, the effect of bead amount on oil removal efficiency of 2.5-30 g / L was investigated. When the amount of beads increased from 2.5 g/L to 30 g/L, the oil adsorption efficiency increased from 17% to 48%. When the bead size decreased from 4 mm to 1 mm, it was observed that the oil adsorption efficiency increased. For the kinetic calculation, 3 different concentrations (250, 500, 1000 mg/L) of oily solution were prepared and oil adsorption versus time was investigated. The kinetic studies for the adsorption of the oily solution with SDS functionalized Ca-Alga beads with an initial oil concentration in the range of 250-1000 mg/L showed compatibility with the second order kinetics. When the initial fat concentration increased from 250 mg/L to 1000 mg/L, the amount of adsorbed fat molecules increased from 8.33 mg/g to 22.67 mg/g. Langmuir and Freundlich isotherm models were used to explain the relationship between adsorbent and adsorbate and it was concluded that Freundlich is the most suitable model because of its high regression coefficient (r2) value. Column studies were also carried out and it was concluded that the proposed adsorbent can be used effectively in the treatment of oily wastewater.