Sudaki organik boyar maddelerin polimerik reçineler üzerine kesikli ve sürekli sistemden adsorpsiyonunun incelenmesi
The investigation of adsorption of organic dyes in water onto polymeric resins using batch and continuous systems
Yazar: DİLA KAYA
Danışman: DOÇ. DR. NEVİM SAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Endüstriyel işlemler sonucu sulara bırakılan kirletici boyar maddeler insan sağlığını tehdit etmektedir. Bu kirleticiler farklı sanayiilerde kullanılan çeşitli yapılardaki doğal ya da sentetik boyar maddelerdir. Söz konusu kirleticiler atıksuların zehirli hale gelmesine neden olmalarının yanında suların geri kazanımı ve kullanımını da engellerler. Özellikle "yeşil kimya" uygulamalarının önem kazandığı günümüzde bu maddelerin su ortamından temizlenmesi için pek çok çalışma gerçekleştirilmektedir. Adsorpsiyon işlemi de etkin olarak kullanılmakta olan yöntemlerden biridir. Boyar maddelerin tutulması konusundaki etkinliği sebebiyle bu işlem uzun süredir araştırma konusu olmaktadır. 
Adsorban olarak doğal veya sentetik malzemeler seçilebilmektedir. Sentetik reçineler polimerik esaslı, zehirsiz, kimyasal olarak inert, modifiye edilebilen, bozunmadan oda koşullarında saklanabilen ve rejenere olabilen malzemelerdir. Bu özellikleri polimerik sentetik reçinelerin kullanımını arttırmıştır.  
Bu çalışmada, endüstride kullanılan Brilliant Yeşili (Brilliant Green), Anilin Mavisi (Aniline Blue), Malakit Yeşili (Malachite Green), Kongo Kırmızısı (Congo Red) ve Brilliant Krezil Mavisi (Brilliant Cresyl Blue) boyar maddelerinin ticari Amberlite XAD-4, XAD-7 ve XAD-16 üzerine sulu ortamdan adsorpsiyonu kesikli ve sürekli sistemde incelenmiştir. Adsorbanın kapasitesini belirleyebilmek için Langmuir ve Freundlich izotermleri çizilmiş ve izotermlere ait katsayılar hesaplanarak hangi mekanizmaya uygunluk sağladığı belirlenmiştir. Bunun yanında uygun deney koşullarının bulunması amaçlanmış ve bu amaçla kirletici başlangıç konsantrasyonu, reçine miktarı, temas süresi, sıcaklık ve pH değerleri deneysel olarak değiştirilerek en etkin olanı bulunmuştur. Seçilen boyar maddelerden Anilin Mavisi'nin her üç reçine üzerine de oldukça hızlı biçimde tutunduğu görülmüştür. Tüm boyar maddeler için en uygun ve etkili reçinenin XAD-7 olduğu söylenebilmektedir. Yapılan denemeler sonucu en uygun reçine miktarı olarak 0,2 g /25 mL ve başlangıç konsantrasyonu da 20 mg.L-1 seçilmiştir. İncelenen pH aralığında en etkin adsorpsiyonun boyar madde çözeltilerinin doğal pH değerlerinde gerçekleştiği görülmüş ve denemelere bu şekilde devam edilmiştir. Sıcaklık artışının adsorpsiyona olumlu katkı yaptığı belirlenmiştir.
Yalancı birinci mertebe ve yalancı ikinci mertebe kinetik mekanizmaları incelenmiş ve içlerinden uygun olanı belirlenmiştir. Buna göre neredeyse tüm boyar maddelerin tüm reçineler üzerine olan adsorpsiyon işlemlerinin yalancı ikinci mertebe kinetiğini izlediği bulunmuştur. Farklı sıcaklıklarda yapılan denemelerden yararlanılarak reaksiyonlara ait termodinamik veriler hesaplanmıştır. Tüm boyar maddeler ve reçineler için ΔGo değerleri negatif, ΔHo ve ΔSo değerleri ise pozitif bulunmuştur. Bu da tüm boyar maddeler ve reçineler için adsorpsiyonun kendiliğinden gerçekleşen endotermik bir işlem olduğunu ifade etmektedir. Tezde ayrıca sürekli sistem kullanarak reçinelerin rejenerasyonu incelenmiş ve endüstriyel uygulamalar açısından önemi olan yeniden kullanılabilirlikleri deneysel olarak belirlenmiştir. Sürekli sistemde XAD-7 reçinesi üzerine tutunmuş olan boyar maddelerin uygun çözeltilerle desorpsiyonu sağlanmıştır. Art arda gerçekleştirilen beş adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsü boyunca adsorpsiyon etkinliğinin en fazla %5 azaldığı görülmüştür.

Abstract:
Pollutants that are emitted as the end products of industrial processes into the water streams threaten human health. Some of these pollutants are natural or synthetic dyes and pigments used in various industries. These dyes not only make the wastewaters toxic but also prevent the recycle and reuse of water. In recent years as "green chemistry" applications gained importance, many methods to rid the waters from these harmful substances have been designed and used. Adsorption is one of the widely used methods. Because of the success in efficiency on seperation of dyes this method has been researched for a long time.
Natural or synthetic materials can be used as adsorbents. Synthetic resins are polymer based, nontoxic, chemically inert, modifiable, regenerable materials that can be stored at room conditions without degrading for many years. These properties have increased the use of polymeric synthetic resins as adsorbents.
In this study, the adsorption of Brilliant Green, Aniline Blue, Malachite Green, Congo Red and Brilliant Cresyl Blue dyes on Amberlite XAD-4, XAD-7 ve XAD-16 have been investigated using batch and continuous systems. Langmuir and Freundlich adsorption isotherms have been plotted and the constants of the isotherms have been obtained to determine the mechanism that best fits the adsorption process. Also it was aimed to determine the optimum operational parameters and therefore parameters such as initial dye concentration, amount of resin, contact time, temperature and pH were varied experimentally. It was observed that Aniline Blue was the fastest dye to be adsorbed on all three resins. It was also concluded that XAD-7 was the most efficient resin for the adsorption of the chosen dyes. As a result of the conducted experiments the optimum amount of resin was chosen to be 0,2 g/ 25 mL and initial dye concentration was 20 mg.L-1. Since the best adsorption percentages were obtained at natural pH of dye solutions, further experiments were continued at these pH levels. It was also found that temperature had a promoting effect on adsorption.
Pseudo first and pseudo second order kinetics mechanisms were investigated and the most suitable one was determined. It was observed that the adsorption of almost all dyes on every resin follows pseudo second order kinetics. By using the data obtained from the experiments conducted at different temperatures, the thermodynamical parameters for the adsorption process were calculated. Results had shown that all the calculated ΔGo values were negative for all dyes and resins where ΔHo and ΔSo were found to be positive. This finding indicated that the adsorption of the dyes onto the resins were spontaneous and endothermic in nature. Regeneration of the resins has also been investigated using a continuous system to experimentally determine the reusability which is of importance for industrial applications. Desorption of the dyes from the XAD-7 resin in the continous system was carried out with the appropriate solutions. Five consecutive adsorption-desorption cycles were performed and the adsorption capacity loss was only 5%.