Bazı organik ve inorganik maddelerin aktif karbon ve mağnetik adsorbentler üzerinde adsorpsiyonu
Adsorption of some organic and inorganic substances on activated carbon and magnetic adsorbents
Yazar: ÖZGE ÖZGEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET MAHRAMANLIOĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry
Dizin: Adsorbentler = Adsorbents ; Adsorplama özellikleri = Adsorbtive properties ; Adsorpsiyon = Adsorption ; Adsorpsiyon kinetiği = Adsorption kinetic ; Organik kirleticiler = Organic pollutants ; İnorganik kirleticiler = Inorganic pollutants

Özet:
Organik maddelerden pestisitler, yüzey aktif maddeler, inorganik maddelerden F- ve Cr6+ iyonları yüksek toksik etkileri nedeniyle çok düşük dozlarda bile çevreye zarar vermektedirler. Organik ve inorganik bileşiklerin sulardan uzaklaştırılmasında en yaygın kullanılan proses adsorpsiyon prosesidir. Arıtma tesislerinde en yaygın kullanılan adsorbent yüksek yüzey alanı ve gözenek hacmine sahip olan aktif karbondur. Arıtma tesislerinde kullanılan karıştırmalı adsorpsiyon proseslerinde, sulardan adsorbentin ayrılma işlemi uzun zaman alması nedeniyle problem oluşturmaktadır. Mağnetik hale getirilmiş adsorbentler, mağnetik alan uygulanarak çok kısa zamanda arıtma havuzlarından uzaklaştırılabilmektedir.Bu çalışmada, çeşitli aktif karbonlardan mağnetik karbonlar üretildi. Ayrıca aynı üretim koşullarında saf demir oksitler elde edildi. Çeşitli yüzey aktif maddeler (sodyum dodesil sülfat (SDS), triton X-100), çeşitli pestisitler (2,4-diklorofenoksi asetik asit (2,4-D), tiram, linuron), Cr6+ ve F- iyonlarının mağnetik karbonlar üzerinde adsorpsiyonu çalışıldı.Mağnetik karbonların yapılarının aydınlatılması için, saf demir oksitler ve mağnetik karbonların XRD analizleri, mağnetizasyon ölçümleri, yüzey alanı, mikrogözenek ve toplam gözenek hacmi ölçümleri gerçekleştirildi; aktif karbon ve mağnetik karbonların zeta potansiyelleri ölçüldü. Yüzey fonksiyonel grupların belirlenmesi için FTIR ve Boehm analizleri yapıldı.Mağnetik karbonlar ve demir oksitlerin XRD grafiklerinde, mağnetik özelliğe sahip Fe3O4 (magnetit) ve ?-Fe203 (maghemit) bulundu. Mağnetizasyon ölçüm sonuçları, spesifik doygunluk mağnetizasyon değerinin, mağnetik karbondaki demir oksit oranıyla arttığını gösterdi. Spesifik doygunluk mağnetizasyon değerinin, yüksek aktif karbon içerikli mağnetik karbonlarda, hava ortamında üretilen mağnetik karbonlarda ve Fe3+:Fe2+ oranının yüksek olduğu mağnetik karbonlarda düşük olduğu görüldü.Yüzey alanı ve gözenek hacmi ölçüm sonuçları, demiroksitin mağnetik karbonların yüzey alanını, mikrogözenek ve toplam gözenek hacmini azalttığını gösterdi.FTIR ve Boehm analizleri aktif karbon ve mağnetik karbonların asidik yüzey fonksiyonel gruplarına sahip olduğunu ve mağnetik karbon üretim yönteminin yüzey fonksiyonel gruplarını etkilemediğini gösterdi.Adsorpsiyon kinetiğinin F- iyonu için Lagergren birinci dereceden hız eşitliğine, diğer kirleticiler için yalancı ikinci dereceden hız denklemine uyduğu bulundu. Herbir adsorbent ve kirletici için adsorpsiyon kinetiği hız sabitleri ve tanecik içi difüzyon sabitleri hesaplandı. Dengeye gelme süreleri bulundu.Langmuir ve Freundlich izoterm sabitleri hesaplandı. Adsorpsiyon kapasitesinin, herbir kirletici için mağnetik karbondaki demiroksit oranının artmasıyla azaldığı görüldü. Ayrıca, hava ortamında üretilen mağnetik karbonların ve Fe3+:Fe2+ oranı yüksek olan mağnetik karbonların adsorpsiyon kapasitelerinin yüksek olduğu bulundu.Ortam pH'sı arttıkça SDS, linuron, 2,4-D, tiram, Cr6+ ve F- iyonu adsorpsiyonlarının azaldığı, triton X-100 adsorpsiyonunun ise değişmediği bulundu.Çeşitli sıcaklıklarda adsorpsiyon termodinamiği çalışıldı. Standart serbest enerji değişimi (DG0), standart entalpi değişimi (DH0) ve standart entropi değişimi (DS0) termodinamik parametreleri hesaplandı. Çeşitli adsorbentler üzerine adsorpsiyonun 2,4-D, tiram, linuron ve triton X-100 kirleticileri için sıcaklıkla azaldığı, F- iyonu için ise sıcaklıkla arttığı görüldü. Adsorpsiyonun 2,4-D, tiram, linuron ve triton X-100 kirleticileri için egzotermik ve düzensiz; F- iyonu için endotermik ve düzenli; tüm kirleticiler için kendiliğinden olduğu görüldü.

Abstract:
Organic pollutants such as pesticides, surface active agents, inorganic pollutants such as F- and Cr6+ ions with very small dosages damage the environment due to their high toxic effects. Adsorption process is the most common process in order to removal organic and inorganic pollutants from the aqueous effluents. Activated carbon is the most widely used adsorbent in treatment systems since it has a great surface area and a pore volume. The stirred adsorption process used in treatment systems, separation of the adsorbent from water was a problem due to taking a long time. Magnetic adsorbents can be separated from treatment pools in a short time applying magnetic field.In this study, magnetic carbons were produced from several activated carbons. And also, pure iron oxides were produced in the same reaction conditions. The adsorption of several pesticides (2,4-dichlorophenoxy acetic acid (2,4-D), thiram, linuron), surface active agents (sodium dodecyl sulphate (SDS), triton X-100), F- and Cr6+ ions on the magnetic carbons was studied.In order to characterize the structures of magnetic carbons, XRD analysis of magnetic carbons and pure iron oxides, measurements of magnetization, surface area, micropore and total pore volumes were carried out; zeta potentials of activated carbons and magnetic carbons were measured. FTIR and Boehm analysis were carried out in order to determine surface functional groups.Fe3O4 (magnetite) and ?-Fe203 (maghemite) which have magnetic properties were found in the XRD spectrums of iron oxides and magnetic carbons. Magnetization measurements showed that specific saturation magnetization value increases with iron oxide ratio in the magnetic carbons. It was seen that specific saturation magnetization value was low for magnetic carbons with high activated carbon ratio; magnetic carbons produced in the air and magnetic carbons with high Fe3+:Fe2+ ratio.Surface area and pore volume measurements showed that iron oxide decreased the surface area, micropore and total pore volumes of magnetic carbons.FTIR and Boehm analysis showed that activated carbons and magnetic carbons have acidic surface functional groups and magnetic carbon production process did not affect the surface functional groups.It was found that adsorption kinetic data were fitted to the Lagergren first order rate equation for F- ions and pseudo-second order rate equation for other pollutants. Adsorption kinetic rate constants and intraparticle diffusion constants for each adsorbent and pollutant were calculated. Equilibrium times were found.Langmuir and Freundlich isotherm constants were calculated. It was seen that adsorption capacity for each pollutant decreased with increasing iron oxide ratio in the magnetic carbon. In also, it was found that adsorption capacities were high for magnetic carbons produced in the air environment and magnetic carbons with high Fe3+:Fe2+ ratio.It was found that as the pH incresed the adsorptions of SDS, linuron, 2,4-D, thiram, Cr6+ and F- ions decreased, and also the adsorption of triton X-100 did not change.Adsorption thermodynamic was studied at several temperatures. Standard free energy change (DG0), standard enthalpy change (DH0) and standard entropy change (DS0) thermodynamic parameters were calculated. It was found that the adsorption on the several adsorbents was decreased with temperature for 2,4-D, thiram, linuron and triton X-100 while increasing for F- ions. It was seen that adsorption is exothermic and uniform for 2,4-D, thiram, linuron and triton X-100 pollutans while endothermic and nonuniform for F- ions and spontaneous for all pollutants.