Pirinç kabuğu külünden, nano gözenekli kalsiyum silikat üretimi, karakterizasyonu ve ağır metal adsorpsiyonunda kullanımı.
Production of nano-porous calcium silicate from rice hull ash, characterization and use of heavy metal adsorption.
Yazar: MİLAD POURSHAKİBA
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜL  TAŞPINAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Ağır metal giderimi = Heavy metal removal ; Ağır metaller = Heavy metals ; Bakır = Copper ; Kurşun = Lead ; Çinko = Zinc

Özet:
Bu çalışmada, daha önceden pirinç kabuğu külünden üretilen sodyum silikat (Na2SiO3) ile kalsiyum klorür (CaCl2) tepkimesi yöntemiyle kalsiyum silikat (CaSiO3) üretilmesi, karakterizasyonu ve ağır metal adsorpsiyonunda kullanımı gerçekleştirilmiştir.Kullanılan sodyum silikat, pirinç kabuğu külünün sodyum hidroksit (NaOH) ile ekstrakte edilmesinden elde edilmiştir. Silika ve sodyum hidroksit ile gerçekleştirilen reaksiyon aşağıdaki şekildedir.n SiO2(k) + 2 NaOH(çöz) ? Na2O.n SiO2(çöz) + H2OTrakya bölgesinde bulunan Yetiş Gıda Sanayi'den alınan ve yanma koşulları bilinmeyen pirinç kabuğu külü, 600 0C sıcaklık ve 6 saat süre ile yeniden yakma işlemine tabi tutulmuştur. Bu işlemden sonra külün 100 gramı 600 mL 1 N NaOH ile 1 saat kaynatılarak ekstrakte edilmiştir. Pirinç kabuğu külündeki silis içeriği sodyum silikat (Na2SiO3) şeklinde çözeltiye alınmıştır.Bu çalışmada, sodyum silikat üzerine kalsiyum klorür eklenerek farklı deney koşulları altında en küçük tane boyutuna, başka bir deyişle nano boyuta sahip kalsiyum silikat çöktürülmüştür. Her deney sonunda elde edilen kalsiyum silikatın tanecik boyutu, Mastersizer cihazıyla ölçülmüştür. Nano yapılı kalsiyum silikat oluşumunda şebekelerin yapısının bozulup bozulmadığını araştırmak için su ve dietilen glikol (spacer) ile iki tip yıkama yapılmış olup kurutma işlemi tamamlandıktan sonra TEM görüntüleri elde edilmiştir.FTIR, X-RD ve ASAP (yüzey alanı analiz cihazı) kullanılarak çöken malzemenin karakterizasyonu yapılmıştır.Bunun yanı sıra şebeke halinde ve gözenekli bir yapıya sahip olan kalsiyum silikatın bu yapısına, yıkama işleminde kullanılan su ve dietilen glikolün (spacer) etkileri araştırılmıştır.Çalışmanın son aşamasında ise adsorban olarak farklı koşullarda yıkanmış iki ayrı kalsiyum silikat numunesi kullanılarak, atık sulardan bakır, kurşun ve çinko iyonlarının giderilmesi araştırılmıştır.Her iki tip kalsiyum silikat için de bakır, kurşun ve çinko adsorpsiyon kapasiteleri incelenmiştir. Bu amaçla önce parametre optimizasyonu yapılmış ve daha sonra elde edilen bu optimum parametreler için Langmuir ve Freundlich izotermleri çıkarılarak, adsorpsiyon mekanizması incelenmeye çalışılmıştır.Adsorpsiyondan önce ve sonra adsorbanların FTIR analizleri yapılmış ve spektrumlar karşılaştırılarak adsorpsiyonun fiziksel mi kimyasal mı olduğu hakkında fikir edinilmeye çalışılmıştır. Buna göre adsorpsiyon öncesi ve sonrası genel olarak farklı pikler gözlenmemiştir.Adsorpsiyon çalışmaları yapılırken öncelikle spacer ile yıkanmış kalsiyum silikat için parametre optimizasyonuna gidilmiştir. Bu parametreler sırasıyla, adsorpsiyon süresi, pH'ın etkisi ve adsorban miktarıdır. Deneyler oda sıcaklığında (20 - 25?) yapılmıştır.Spacer ile yıkanmış kalsiyum silikatın bakır adsorpsiyonu incelendiğinde optimum adsorpsiyon süresinin 120 dk, optimum pH 5, optimum adsorban miktarı ise 0.1 g olduğu belirlenmiştir.Bu optimum koşullarda su ile yıkanmış numune için de bakır adsorpsiyonu yapılmış ve her iki numune için de kapasite değerleri elde edilmiştir .Bakır adsorpsiyonu için spacer ile yıkanarak elde edilmiş kalsiyum silikatın daha iyi bir adsorban olduğu saptanmıştır. Aynı çalışma kurşun ve çinko için de tekrarlanmıştır.Hem spacer ile yıkanmış kalsiyum silikatın ve hem de su ile yıkanmış kalsiyum silikatın, bakır, kurşun ve çinko adsorpsiyonunun Langmuir izotermine daha fazla uydukları tespit edilmiştir.

Abstract:
Water is an indispensible item for our life and nature and fresh water resources in the world is decreasing with the development of technology. Particularly by industrial wastes, water becomes rich by heavy metals and this situation dramatically threats organisms.As is known, heavy metals are quite harmful to the health of living organisms the results accumulated in the food chain is becoming very dangerous for people. Therefore, removal of heavy metals from waste water, is important for protection of ecological systems.In removing heavy metals from waste water adsorption method is relatively common procedure. As the result of adsorption method heavy metals are trapped in the pores of adsorbents or chemically binds these adsorbents.The agents provide the adsorption removal method is called the adsorbent. The large surface area and high pore diameter can be better for adsorbents for better adsorption.In this study calcium silicate was produced from rice hull ash. Surface characterization of this product was done and adsorption capacities were determined.The silica from rice hull ash was extracted by boiling rice hull ash with NaOH solution and sodium silicate solution was obtained. Silicates were produced by the reaction of sodium silicate with Calcium salt.The silica is in the amorphous form in the rice hull ash which is obtained by burning of the rice hull. The amorphous silica can easily be dissolved in alkali solution. The amorphous nature of RHA silica makes it extractable. The reaction between sodium silicate and silica is as follows:n SiO2(k) + 2 NaOH(çöz) ? Na2O.n SiO2(çöz) + H2ORice hull ash acquired from an industrial rice processing plant was burned at 600°C for 6 hours. 100 grams of rice hull ash was boiled with 600 ml 1 N NaOH solution for 1 h. Hence the silica from rice hull ash was extracted and sodium silicate solution was produced. Then the mixture was filtered through a filter paper and washed to remove the residue of ashes from sodium silicate solution.Calcium silicate was produced by the reaction of the obtained sodium silicate solution with calcium salt. The steps of the production are as follows:The reaction of sodium silicate solution with salts (CaCl_2.2H_2O) and precipitation of silicates,Filtering the precipitate,Washing the precipitate with water and diethylene glycol to remove the impurities,Drying the precipitate at room tempreature for a week.In this study two separate samples of calcium silicate as adsorbent, are produced under different conditions for elimination of copper, lead and zinc ions from waste water to be reused. In addition, effects of water and diethylene glycol (spacer) used in the process of washing of the calcium silicate with a porous structure in a network state is investigated.Also for both types of calcium silicates, adsorption capacities of copper, lead and zinc were investigated. For this purpose, firstly, parameter optimizations have been obtained and then by deriving the Langmuir and Freundlich isotherms for the optimum parameters, the adsorption mechanism has been worked out.Additionally, for both calcium silicate samples, TEM images have been taken to determine what kind of physical impact were performed on structure of matter following washing process. By these images, in the network structure of calcium silicate washed with spacer, more porousness which was in Nano-size was observed.Before and after adsorption FTIR analysis of adsorbents has been done and by comparing the spectra, it has been tried to form a judgment of physical or chemical type of the adsorption. Accordingly, in general, different peaks were not observed before and after adsorption. This also shows us that the adsorption is generally physical.Particle size analysis, BET surface area measurements, X-ray, TGA and chemical analysis were done of producted silicates.During adsorption studies, parameter optimizations were made primarily for the calcium silicate washed with spacer. These parameters are respectively the adsorption time, pH, and amount of adsorbent. All of the experiments were made at room temperature.While examining adsorption of copper for calcium silicate which is washed with spacer, the optimum adsorption time of 120 min, the optimum pH of 5 and optimum adsorbent amount of 0.1 g have been determined.Under these optimum conditions copper adsorption has been performed for the sample washed with water and capacity values were obtained for both sample.For copper adsorption the calcium silicate obtained by washing with spacer, was found to be a better adsorbent.Furthermore the result of the studies under these optimum conditions, were derived with Langmuir and Freundlich isotherms. For both of the calcium silicate washed with spacer and calcium silicate washed with water, it was determined that their copper adsorption fits more to Langmuir isotherm.For adsorption of lead in calcium silicate washed with spacer, determined optimum adsorption time is 15 min, optimum pH is 5 and optimum adsorbent amount is 0.05 g.By the result of studies under these optimum conditions, Langmuir and Freundlich isotherms were derived and it has been observed that adsorption of lead for calcium silicate washed with spacer adapts more to the Langmuir isotherm.For the adsorption of zinc in calcium silicate washed with spacer, optimum conditions are adsorption time of 120 min, optimum pH of 5 and optimum adsorbent amount of 0.1 g. By the result of studies under these optimum conditions, Langmuir and Freundlich isotherms were also derived for zinc metal and it has been observed that adsorption of zinc for calcium silicate washed with spacer fits more to the Langmuir isotherm.