Sularda bazı toksik metallerin biyosorpsiyon yöntemiyle uzaklaştırılması
The removing some toxic metals from waters by biosorption method
Yazar: MEHMET FIRAT BARAN
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ZAHİR DÜZ
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya = Chemistry
Dizin: Bacillus licheniformis = Bacillus licheniformis ; Bacillus subtilis = Bacillus subtilis ; Biyomas =   ; Biyosorbent = Biosorbent ; Biyosorpsiyon = Biosorption

Özet:
Günümüzde toksik metal kirliliği en önemli çevre sorunlarından biridir ve toksik metal kirliliğinden en çok etkilenen doğal sistemlerin başında sular gelmektedir. Toksik metallerin sulu çözeltilerden uzaklaştırılmasında genellikle kimyasal çöktürme, hiperfiltrasyon, iyon değiştirme, uçurma, elektrokimyasal uygulamalar gibi geleneksel metotlar kullanılmaktadır. Ancak bu metotlar sularda, özellikle düşük konsantrasyonlardaki metallerin gideriminde yeterince etkili değildir ve uygulamadaki yüksek maliyetleri ekonomik açıdan oldukça düşündürücüdür. Son yıllarda toksik metallerin gideriminde biyolojik orijinli bakteri, alg ve mantar gibi organizmaların biyosorbent olarak kullanıldığı biyosorpsiyon yöntemi sözü edilen problemler göz ününe alınınca geleneksel metotlara güçlü bir alternatif olmaktadır. Çünkü biyosorpsiyon yöntemi ile sulardaki toksik metaller, düşük bir maliyetle ve seçici bir şekilde ppb düzeyinde bile etkili bir şekilde uzaklaştırılabilir.
Gerçekleştirdiğimiz çalışmada biyosorbent olarak kullandığımız Bacillus subtilis ATCC 6051 ve Bacillus licheniformis sp.'nin iki ırkının Cd(II), Cu(II), Pb(II), Ni(II), Zn(II) ve Fe(II) metal iyonlarını uzaklaştırma kabiliyeti bu metallerin sulu çözeltilerinde batch yöntemi kullanılarak değerlendirildi. Bu bağlamda optimum koşulları belirlemek için başlangıç konsantrasyonu, sıcaklık, pH, biyosorbent miktarı ve zamanın parametreleri incelendi. Kinetik çalışmalar deneysel çalışmada kullanılan metallerin biyosorpsiyonu için pseudo-second kinetik modeline daha uyumlu olduğunu gösterdi. Ayrıca farklı sıcaklıklardaki hız sabitleri kullanılarak aktifleşme enerjisi hesaplandı. Adsorpsiyon izoterm verileri Freundlich ve Langmuir izoterm modellerinde değerlendirilerek adsorpsiyonun Langmuir izotermiyle uyumlu olduğu görüldü ve bu veriler kullanılarak serbest enerji değişimi (ΔG), entalpi değişimi (ΔH) ve entropi değişimi (ΔS) gibi termodinamik fonksiyonlar hesaplandı. Kullanılan biyosorbentlerin sulu çözeltilerdeki yüksek verimliliği görüldükten sonra içme suyu, nehir suyu ve atık sularda bulunan düşük konsantrasyonlardakitoksik metal iyonlarını giderme kabiliyetleri ICP-MS cihazında test edildi. Son yapılan çalışmada kullanılan biyosorbent-metal etkileşimleri FTIR spektroskopisiyle, biyosorbentlerin yüksek sıcaklıklardaki kullanılabilirliği de TGA-DTA analizleri ile test edildi. Sonuç olarak gerçekleştirilen çalışmada kullanılan biyosorbentler; Cd(II),Cu(II), Pb(II), Ni(II), Zn(II) ve Fe(II) metal iyonlarını etkili ve seçici bir şekilde sulu çözeltilerinden uzaklaştırılabildi. Üstelik bu biyosorbentler gerçek su numunelerine (içme suyu, nehir suyu ve atık sular) uygulandı ve düşük konsantrasyonlarda bile etkili bir toksik metal gideriminin olduğu görüldü. 
Anahtar Kelimeler: Biyosorpsiyon, Toksik metaller, Adsorpsiyon, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Termodinamik parametreler, İzotermler.

Abstract:
Recently, heavy metal pollution is one of the most important environmental problems and also waters are affectedsignificantly from this pollution. For removing of the toxic metals from aqueous solutions, usually it is used traditional methods such as chemical precipitation, hyperfiltration, ion exchange, evaporation, electrochemical applications. But these methods are not effective enough especially for removing metal ions having low concentration in waters and their high cost of application are economically rather challenging. Nowadays, biosorption method, in which organisms such as bacteria, algae and fungi are used powerful alternative to traditional methods when mentioned problems are considered. Because becoming toxic metals in waters can be removed effectively with low cost and selectively even at ppb levels via using biosorption method.
In our study, the removal abilities of Bacillus subtilis ATCC 6051 and two wild type strains of Bacillus licheniformis for Cd(II), Cu(II), Pb(II), Ni(II), Zn(II) ve Fe(II) ions was evaluated in  aqueous solutions of these metals with using batch method. In this context, in order to deterrmining optimum conditions, several parameters including initial concentration, temperature, pH, amount of biosorbent and time were investigated . Kinetics studies showed that biosorptions of these metal ions were more compatible with the pseudo-second kinetic model. In addition, activation energy was calculated with using rate constant at different temperatures. Once the adsorption isotherm energy was evaluated in Freundlich and Langmuir isotherm models, it was seen that the adsorption was compatible with Langmuir isotherm and thermodynamic functions such as free energy change (ΔG), enthalpy change (ΔH) and entropy change (ΔS) were calculated by using these data. Once high efficienty of these biosorbents was seen in aqueous solutions, the abilitiy of these biosorbents on removing mentioned metal ions that may present low concentrations in drinking water, riwer water and waste water also was tested with ICP-MS. Finally, while the interactions of biosorbent and metal ions was determined with using FTIR spectroscopy, the usability of biosorbents at high temperatures was tested by using TGA-DTA analyses. 
In conclusion, biosorbents used in our study could remove efficiently and selectively metal ions: Cd(II), Cu(II), Pb(II), Ni(II), Zn(II) and Fe(II) from their aqueous solutions. Moreover, these biosorbents were also applied to water samples originated from natural systems (drinking water, river water and waste water) and it was seen that these biosorbents removed efficiently mentioned metal ions even at low concentrations
Key Words: Biosorption, Heavy metals, Adsorption, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Thermodynamic parameters, Isotherms.