Kil ve aktif çamur bir arada kullanılarak kompozit adsorbentlerin üretilmesi ve endüstriyel atıksulardaki çeşitli kirleticilerin gideriminde uygulamalarının araştırılması
Production of composite adsorbents using clay and activated sludge together and investigation of applications for the treatment of various pollutants in industrial wastewaters
Yazar: AHMET BURAK AKIN
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, endüstriyel kaynaklı atıksularda sıklıkla rastlanan ve sulu çözeltilerinde anyonik formda bulunan Remazol Black B boyarmaddesi, moleküler formda bulunan fenol ve katyonik formda bulunan kadmiyum(II)
kirleticilerinin sırasıyla aktif çamura, kile ve aktif çamur ile kilin polietileniminle kimyasal modifikasyonuyla oluşturulan kompozit adsorbente adsorpsiyonu kesikli karıştırmalı kapta başlangıç pH'ı ve başlangıç kirletici derişiminin; üç kirleticinin kompozit adsorbente sürekli düzende çalışan dolgulu kolonda adsorpsiyonu ise besleme akış hızının ve besleme kirletici derişiminin fonksiyonu olarak araştırılmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, yüksek mekanik dayanıklılığa ve yapısal kararlılığa sahip, adsorpsiyon kapasitesi yüksek olan en uygun kompozit adsorbent
üretimi, kurutulmuş aktif çamur ve montmorillonit kili 47/53 (w:w) oranında karıştırılarak ve polietileniminle kimyasal modifikasyonla gerçekleştirilmiştir. Kesikli karıştırmalı kapta gerçekleştirilen adsorpsiyon çalışmalarında Remazol Black B boyarmaddesinin, fenolün ve kadmiyum(II) iyonlarının en uygun çalışma pH değerleri, aktif çamura adsorpsiyonda sırasıyla 2.0, 2.0, 6.0; kile adsorpsiyonda sırasıyla 2.0, 2.0, 6.0 ve kompozit adsorbente adsorpsiyonda ise her üç kirletici için 7.0 olarak tayin edilmiştir. Her bir kirleticiadsorbent
sistemi için başlangıç kirletici derişiminin 500 mg/L'ye kadar artmasıyla adsorpsiyon kapasitesinin arttığı, adsorpsiyon verimliliğinin ise azaldığı saptanmıştır. Aktif çamur, kil ve aktif çamur-kil kompozit adsorbente
RBB, fenol ve kadmiyum(II) iyonlarının adsorpsiyonunda elde edilen en yüksek kapasite değerleri sırasıyla 131,17 mg RBB/g kuru aktif çamur, 78,92 mg fenol/g kuru aktif çamur ve 67,13 mg kadmiyum(II)/g kuru aktif çamur;
34,77 mg RBB/g kil, 27,23 mg fenol/g kil ve 21,77 mg kadmiyum(II)/g kil; 142,64 mg RBB/g kompozit adsorbent, 104,30 mg fenol/g kompozit adsorbent ve 87,90 mg kadmiyum(II)/g kompozit adsorbent olarak bulunmuştur. Kesikli
sistemde adsorpsiyon dengesinin matematiksel olarak tanımlanmasında Langmuir ve Freundlich modelleri kullanılmış, Langmuir modelinin tüm kirleticiadsorbent sistemleri için daha iyi uyum sağladığı belirlenmiştir. Her bir kirleticiadsorbent sistemi için adsorpsiyon kinetiğinin birinci ve ikinci derece kinetik modellere uygunluğu da araştırılmış, ikinci derece kinetik modelin adsorpsiyon kinetiğini çok daha iyi tanımladığı tespit edilmiştir.
Sürekli düzende çalışan dolgulu kolonda polietileniminle modifiye edilmiş aktif çamur-kil kompozit adsorbente RBB adsorpsiyonunda besleme akış hızının etkisi 1,2-3,5 mL/dk aralığında incelenmiş ve en yüksek kolon kapasitesi ve
kolon performansı değerlerine en düşük akış hızında ulaşıldığı gözlenmiştir. Diğer tüm kolon çalışmaları bu akış hızında gerçekleştirilmiştir. Kolonda, RBB, fenol ve kadmiyum(II) iyonlarının polietileniminle modifiye edilmiş aktif çamur-kil kompozit adsorbente adsorpsiyonunda besleme kirletici derişiminin etkisi 25-200 mg/L arasında incelenmiş ve her bir kirletici için besleme derişimi arttıkça, adsorplanan kirletici miktarının arttığı, kolon veriminin ise azaldığı saptanmıştır. RBB'nin, fenolün ve kadmiyum(II) iyonlarının adsorpsiyonunda, en yüksek kolon adsorpsiyon kapasite değerleri sırasıyla 49,62 mg RBB/g kompozit adsorbent, 46,24 mg fenol/g kompozit adsorbent ve 39,05 mg kadmiyum(II)/g kompozit adsorbent olarak bulunmuştur. Sürekli düzende çalışan dolgulu kolonda ayrıca her bir kirletici için deneysel kırılma eğrileri de elde edilmiştir. Kolon kırılma eğrisi verilerine Adams-Bohart (veya Wolborska), Thomas ve Yoon-Nelson modelleri uygulanarak kolona ait kinetik sabitler saptanmış, bu sabitler yardımıyla teorik kırılma eğrileri bulunmuş ve Thomas ve Yoon-Nelson modellerinin deneysel kırılma eğrilerini daha iyi tahmin ettiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, the adsorption of Remazol Black B (in anionic form in its aqueous solutions), phenol (in molecular form in its aqueous solutions) and cadmium(II) ions (in cationic form in its aqueous solutions), which are frequently found in industrial wastewaters, onto activates sludge, clay and activated sludge-clay composite adsorbent which is chemically modified with polyethylenimine, respectively was investigated in a batch stirred system and onto the composite adsorbent packed in a continuous column. The effects of initial pH and initial
pollutant concentration on the adsorption for each pollutant and for each adsorbent were searched in a batch stirred system while the effect of feed flow rate for RBB and the effect of feed concentration for all pollutants on the composite adsorbent filled in a continuous column were studied. At the first part of studies, the production of composite adsorbent with high mechanical strength and structural stability, and with high adsorption capacity, including activated sludge and clay at 47/53 (w:w) ratio and chemically modified with polyethylenimine was performed. In the batch system adsorption studies, the optimum initial pH values for Remazol Black B, phenol and cadmium(II) ions were determined as 2.0, 2.0, 6.0 for activated sludge adsorption, respectively, as 2.0, 2.0, 6.0 for clay adsorption, respectively and 7.0 for all pollutants for composite adsorbent adsorption. It was
stated that adsorption capacity increased and adsorption yield decreased with increasing initial pollutant concentration up to 500 mg/L for each pollutantadsorbent system. Maximum adsorption capacities of activated sludge, clay and activated sludge-clay composite adsorbents for Remazol Black B, phenol and cadmium(II) adsorptions were found as 131,17 mg RBB/g dried activated sludge, 78,92 mg phenol/g dried activated sludge and 67,13 mg cadmium(II)/g dried activated sludge, respectively; 34,77 mg RBB/g clay, 27,23 mg phenol/g clay and 21,77 mg cadmium(II)/g clay, respectively, and 142,64 mg RBB/g composite adsorbent, 104,30 mg phenol/g composite adsorbent and 87,90 mg cadmium(II)/g composite adsorbent, respectively. In the batch system, to define
the adsorption equilibrium mathematically, Langmuir and Freundlich adsorption models were used and it was seen that the Langmuir model fitted better to equilibrium data for each pollutant-adsorbent system. The suitability of the adsorption kinetics to the first and second degree kinetics models for each contaminant-adsorbent system was also investigated, and it was found that the second degree kinetics model defined the adsorption kinetics much better. In RBB adsorption onto the activated sludge-clay composite adsorbent modified with polyethylenimine in the continuous packed bed column, the effect of the feed flow rate was studied in the range of 1.2-3.5 mL/min and it was observed that the highest column capacity and column performance values were reached at the lowest flow rate. All other column studies were carried out at this flow rate. In the column, the effect of the feed pollutant concentration between 25-200 mg/L on the adsorption of RBB, phenol and cadmium(II) ions onto the activated sludge-clay composite adsorbent modified with polyethylenimine and it was seen that as the feed concentration increased for each pollutant, the amount of adsorbed pollutant increased and the column yield decreased. In the adsorption of RBB, phenol and cadmium(II) ions, the highest column adsorption capacity values were found as 49.62 mg RBB/g composite adsorbent, 46.24 mg phenol/g composite adsorbent and 39.05 mg cadmium(II)/g composite adsorbent, respectively. Experimental breakthrough curves were also obtained for each pollutant in the continuous packed column. By applying Adams-Bohart (or Wolborska), Thomas and Yoon-Nelson models to column breakthrough
curve data, kinetic constants of the column were determined, theoretical breakthrough curves were found using these constants and it was found that Thomas and Yoon-Nelson models predicted the experimental breakthrough
curves better.