Tavuk tüyü çarının ve yumurta kabuğunun sulu çözeltilerden ağır metal iyonlarının gideriminde kullanılması
Use of chicken feather char and egg shell for removal of heavy metal ions from aqueous solutions
Yazar: DEMET ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. MELTEM DİLEK
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Su canlılar için hayati önem taşıyan yaşam malzemesidir. Bu nedenle su güvenliği ülkeler için oldukça önemlidir. Sanayi ve tarımın gelişmesiyle birlikte, özellikle gelişmekte olan ülkelerde çok miktarda ağır metal iyonu suya deşarj edilmektedir. Toksisiteleri ve kalıcılıkları nedeniyle, ağır metal iyonlarının insan vücuduna alımı; merkezi sinir sistemine, böbreğe ve karaciğere zarar vermektedir. Bu nedenle, ağır metal iyonları ile ilgili çalışmalar son yıllarda bilim camiasında özel ilgi görmekte ve ağır metal iyonlarını kontrol etmek ve uzaklaştırmak için etkili yöntemler bulmak için çok büyük çabalar sarf edilmektedir. Düşük maliyetli ve çevre dostu olması, geniş malzeme seçimi ve yeniden kullanılabilirlik gibi nedenlerden ötürü adsorpsiyon yöntemi yaygın olarak kullanılmakla birlikte aynı zamanda atık su arıtma araştırmalarında da önemli bir yöntemdir.

Bu çalışmada, ülkemizde ve dünyada bol miktarda bulunan yapılarındaki fonksiyonel gruplar ve gözeneklilikleri nedeniyle adsorpsiyon potansiyelleri yüksek hayvansal atık ürünlerinden olan tavuk tüyünün piroliz ürünü çar ve yumurta kabukları adsorban olarak kullanılmıştır. Tavuk tüyünden elde edilen çara gözenek yapılarını düzenlemek ve yüzey alanını arttırmak için fosforik asitle kimyasal aktivasyon işlemi uygulanmıştır. Elde edilen 3 farklı adsorban ile sulu çözeltilerden Al3+, Cr3+, Mn2+, Fe3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, As3+, Cd2+ ve Pb2+ ağır metal iyonlarının ve metilen mavisi boyar maddesinin giderimi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ağır metal analizleri yüksek hassasiyetli İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS) ile yapılmış olup pH ve temas süresi etkileri incelenerek adsorpsiyon için optimum şartlar ve kullanılan adsorbanların etkinliği belirlenmiştir. Tavuk tüyünden elde edilen çar ile yumurta kabuklarının fonksiyonel grup analizi Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) cihazı ile, morfolojik analiziler ise Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Brunauer-Emmett-Teller (BET) tekniği yüzey alanı ile gözeneklilik analizleri için kullanılmıştır. Adsorpsiyon işlemine ait kinetik modelin belirlenebilmesi için yalancı birinci derece kinetik model ve yalancı ikinci derece kinetik model sabitleri ve korelasyon katsayıları incelenmiştir.

Yapılan adsorpsiyon deneyleri 22 °C sıcaklık, 300 rpm karıştırma hızı, 2 g/L adsorban miktarı ve 24 saate kadar olan sürelerde gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda üç farklı adsorban kullanılmış olup literatürdeki çalışmalar gözetilerek farklı pH değerleri seçilmiştir. Sulu çözeltiden Cu2+, Zn2+, Fe3+, Cd2+, Cr3+, Pb2+, Al3+, As3+, Ni2+ ve Mn2+ ağır metal iyonlarının giderilmesinin incelendiği çalışmalarda öncelikle tavuk tüyünün piroliziyle elde edilen çar, daha sonra bu çarın fosforik asitle kimyasal olarak aktifleştirilmesiyle hazırlanan çar adsorban olarak kullanılmıştır. Ancak bu adsorbanların kullanımıyla belirtilen koşullarda ağır metal adsorpsiyonu gerçekleşmemiştir. Ağır metal adsorpsiyonu deneylerinden sonra fosforik asitle farklı oranlarda aktifleştirilmiş çar ile metilen mavisi boyar maddesinin adsorpsiyonu üzerine çalışma yapılmış olup bu çalışmada da adsorpsiyon gözlenmemiştir.  Son olarak yine tavuktan elde edilen önemli bir atık malzeme olan yumurta kabuklarının 10 farklı ağır metal iyonunun adsorpsiyonundaki kullanımı araştırılmıştır. 

Yumurta kabuğu adsorbanıyla pH 2,8 ve 4,8 değerinde yapılan adsorpsiyon deneylerinde Fe3+, As3+, Mn2+, Ni2+, Zn2+ ve Cd2+ ağır metal iyonlarının başlangıç konsantrasyonlarında zamanla bir düşüş gözlemlenmemiştir. Yumurta kabuklarının adsorban olarak kullanılmasıyla Al3+, Cr3+, Cu2+ ve Pb2+ ağır metal iyonlarının adsorpsiyonu gerçekleşmiş olup en iyi adsorpsiyon kapasiteleri sırasıyla 2,44, 2,49, 1,78 ve 2,41 mg/g olarak bulunmuştur. 

Sonuç olarak, sulu çözeltilerden ağır metal iyonlarının toplu olarak uzaklaştırılmasında hayvansal atık ürünü olan yumurta kabuğunun etkin ve düşük maliyetli bir adsorban olarak kullanımının sağlanabileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Water is a vital material for living things. Therefore, water security is very important for countries. With the development of industry and agriculture, large amounts of heavy metal ions are discharged into water, especially in developing countries. Uptake of heavy metal ions into the human body due to their toxicity and persistence; damage to the central nervous system, kidney and liver. Therefore, studies on heavy metal ions have received special attention in the scientific community in recent years, and great efforts have been made to find effective methods to control and remove heavy metal ions. Due to its low cost and environmental friendliness, wide material selection and reusability, the adsorption method is widely used, but it is also an important method in wastewater treatment research.

In this study, the pyrolysis product of chicken feathers and egg shells, which are among the animal waste products with high adsorption potential due to their porosity and functional groups in their structures, which are abundant in our country and in the world, were used as adsorbent. Chemical activation process with phosphoric acid was applied to regulate the pore structures and increase the surface area of the crayfish obtained from chicken feathers. Studies were carried out on the removal of Al3+, Cr3+, Mn2+, Fe3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, As3+, Cd2+ and Pb2+ heavy metal ions and methylene blue dyestuff from aqueous solutions with the obtained 3 different adsorbents. Heavy metal analyzes were made with a high-sensitivity Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) and the effects of pH and contact time were examined and optimum conditions for adsorption and the effectiveness of the adsorbents used were determined. Functional group analysis of czar and egg shells obtained from chicken feathers were performed with Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) device, and morphological analyzes were performed with Scanning Electron Microscope (SEM) device. The Brunauer-Emmett-Teller (BET) technique was used for surface area and porosity analyses. In order to determine the kinetic model of the adsorption process, pseudo-first-order kinetic model and pseudo-second-order kinetic model constants and correlation coefficients were examined.

Adsorption experiments were carried out at 22 °C temperature, 300 rpm stirring speed, 2 g/L adsorbent amount and up to 24 hours. Three different adsorbents were used in the studies, and different pH values were selected by considering the studies in the literature. In studies examining the removal of Cu2+, Zn2+, Fe3+, Cd2+, Cr3+, Pb2+, Al3+, As3+, Ni2+ and Mn2+ heavy metal ions from aqueous solution, firstly the char obtained by pyrolysis of chicken feathers, then the char prepared by chemically activating this czar with phosphoric acid is used as an adsorbent. used. However, heavy metal adsorption did not occur under the specified conditions with the use of these adsorbents. After the heavy metal adsorption experiments, a study was conducted on the adsorption of char and methylene blue dyestuff activated at different rates with phosphoric acid, and no adsorption was observed in this study. Finally, the use of egg shells, which is an important waste material obtained from chicken, in the adsorption of 10 different heavy metal ions was investigated.

In the adsorption experiments performed with eggshell adsorbent at pH 2,8 and 4,8, no decrease was observed in the initial concentrations of Fe3+, As3+, Mn2+, Ni2+, Zn2+ and Cd2+ heavy metal ions over time. Adsorption of heavy metal ions Al3+, Cr3+, Cu2+ and Pb2+  was achieved by using egg shells as adsorbent, and the best adsorption capacities were found as 2,44, 2,49, 1,78 and 2,41 mg/g, respectively.

As a result, it has been demonstrated that the use of egg shell, which is an animal waste product, as an effective and low-cost adsorbent can be provided in the removal of heavy metal ions from aqueous solutions.