Çevresel kirletici metallerin adsorpsiyonunun incelenmesi
Investigation of adsorption of environmental pollutant metals
Yazar: ŞAHİKA SENA BAYAZİT
Danışman: DOÇ. DR. İSMAİL İNCİ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorplama özellikleri = Adsorbtive properties ; Adsorpsiyon = Adsorption ; Adsorpsiyon kinetiği = Adsorption kinetic

Özet:
Sanayileşmenin hızlanmasıyla beraber ağır metallerin çevreye yayılması da artmaktadır. Bu durum doğal hayatı ve canlı yaşamını olumsuz etkilemektedir. Bu sebeple suların arıtılması önemli bir konudur. Su arıtımı için birçok yöntem geliştirilmiştir. Bu çalışmada 4 farklı metal, sulu çözeltilerinden adsorpsiyon yöntemi kullanılarak ayrılmaya çalışılmıştır. Adsorbe edilen metaller Cu(II), Cr(VI), Pb(II) ve Zn(II)'dur.Adsorban olarak 1991 yılında Iijima tarafından bulunan karbon nanotüplerin iki farklı tipi kullanılmıştır. Bunlar tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT) ve çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT)'dir. Karbon nanotüpler yapılarında çok miktarda safsızlık bulundurmaları ve duvarlarının genel olarak aktif olmamasından dolayı farklı oksidasyon yöntemleri kullanılarak okside edilirler. Bu sayede adsorpsiyon kapasiteleri arttırılmış olur. Bu çalışmada metal adsorpsiyonu için genel olarak kullanılan, CNT'lerin ultrasonik banyoda bir inorganik asit yardımıyla okside edilmesi işlemi uygulanmıştır. Öncelikle, en yüksek verimin elde edildiği asit olarak derişik HNO3 belirlenmiştir. Bu yöntemin yanı sıra CNT'lerin saflaştırılması ve okside edilmesi için UV-C ışığının yükseltgeme özelliğinden faydalanılarak yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yeni yöntemle en yüksek adsorpsiyon kapasitesini elde edebilmek amacıyla UV-C ışığının CNT ile düzgün bir biçimde temas edebilmesi için uygun şartlar belirlenmiştir. Bu şartlar şöyledir; yaklaşık 0,05-0,1 g aralığında CNT, 15 mL derişik HNO3 ile UV-C ışığına 10-15 cm mesafede 40 dakika boyunca karıştırılmalıdır. CNT'lerin yüzeylerinde meydana gelen değişikler FTIR, TGA, SEM ve toplam yüzey asitliği analizleri ile belirlenmiştir.CNT'lerin asit ile muamelesi sonucunda nanotüpler safsızlıklarının büyük bir bölümünden arındırılmıştır. Bu sonuç, SEM analizlerinde nanotüplerin çaplarının azalması ile ve nanotüplerin etrafını sarmış olan kirlilik kümelerinin azalması ile belirlenmiştir.Metal adsorpsiyonu için en önemli yüzey özelliği, toplam yüzey asitliğidir. Uygulanan oksidasyon işlemleri sonrası yüzey asitliği miktarları belirlenmiş ve en yüksek yüzey asitliği, UV-C ışığı altında okside edilmiş SWCNT ve MWCNT'de meydana gelmiştir. Bu sonuç FTIR analizinde de görülmüştür. Adsorpsiyon denemeleri sonucunda SWCNT'nin MWCNT'ye göre daha başarılı sonuçlar verdiği görülmüştür. Bunun sebeplerinden birisi yüzey asitlik değerleridir.Metallerin sulu çözeltilerinden adsorbe edilmesi işleminde en önemli parametrenin pH farkı olduğu görülmüştür. Her metal için uygun çözelti pH'ları belirlenmiştir. Bakır adsorpsiyonu için en uygun pH değeri 10, krom adsorpsiyonu için 1, kurşun ve çinko adsorpsiyonu için ise 7'dir. Bu pH değerlerinde en yüksek adsorpsiyon kapasiteleri elde edilmiştir. Bakır pH 10 değerinde UV-SWCNT ile, krom pH 1'de SWCNT ile, kurşun pH 7'de UV-SWCNT ile ve çinko da pH 7'de US-SWCNT ile maksimum adsorbe edilmiştir.Sonuç olarak bu çalışmada kullanılan UV-C ışığı altında CNT'lerin oksidasyonu yönteminin, ultrasonik banyoda yapılan oksidasyon işlemine göre daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Heavy metals released into the environment is increasing with the acceleration of industrialization. This situation negatively affects the natural life and live life. For this reason, water treatment is an important issue. Many methods were developed for water purification. In this study, four different metals tried to separate from aqueous solutions using adsorption method. The adsorbed metals were Cu(II), Cr(VI), Pb(II) ve Zn(II).The materials used as adsorbents were carbon nanotubes discovered by Iijima in 1991. In this study, two different type of nanotubes were used, single walled carbon nanotube (SWCNT) and multiwalled carbon nanotube (MWCNT). Carbon nanotubes are generally oxidized because, they have many impurities and their walls are not reactive. The oxidation process is increased the adsorption capacity of CNT?s. In this study, commonly used oxidation process of the CNT, in an ultrasonic bath was applied with the help of an inorganic acid for metal adsorption. First, the maximum adsorption efficiency is obtained with concentrated HNO3 were determined. In this study, a new method was improved for purification and oxidation of CNT?s, based on oxidation feature of UV-C light. In this new method, in order to achieve the higher adsorption capacity, the proper conditions were determined for the UV-C light contact with the CNT. These conditions are as follows: approximately in the range of 0.05 to 0.1 g CNT should be mixed with 15 mL of concentrated HNO3 and this mixture treated with 10-15 cm from the UV-C light for 40 minutes. Changes occurring in the surface of the CNT?s were determined with FTIR, TGA, SEM, and the total surface acidity analysis.As a result of treating CNT?s with acid, a large part of impurities eliminated from nanotubes. This result was determined with SEM analysis. In the SEM images, the diameter of CNT?s was seen as decreased and the mass of impurities was seen as reduced.The most important surface feature for the metal adsorption is total surface acidity. After the oxidation processes, the total surface acidity of CNT?s were determined. SWCNT and MWCNT which were oxidized under UV-C light had higher acidity values than ultrasonic bath. This result was seen in FTIR analysis. After the adsorption experiments, it was determined that SWCNT?s were more effective than MWCNT?s. One of the reasons of this situation is surface acidity values.The most important parameter for the adsorption metals from aqueous solutions is pH difference. Appropriate pH solution was determined for each metal. The optimum pH value for adsorption of copper is 10, for chromium adsorption is 1, while for the adsorption of lead and zinc is 7. The high adsorption capacities were obtained at these pH values. Copper was highly adsorbed at pH 10 with UV-SWCNT, chromium was highly adsorbed at pH 1 with SWCNT, lead was adsorbed at pH 7 with UV-SWCNT and lastly, zinc was adsorbed at pH 7 with US-SWCNT.As a result of this study, it was observed that the CNT oxidation method with UV-C light gave better results than ultrasonic bath oxidation process.