Tarımsal ve endüstriyel katı atıklardan manyetik katkılı ve katkısız biyoçar eldesi ve kullanım olanaklarının araştırılması
Investigation of magnetic additive and non additive biochars from agricultural and industrial solid waste and its usage opportunities
Yazar: SEVDA ESMA DARAMA
Danışman: PROF. DR. SEMRA ÇORUH
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Ağır metal giderimi = Heavy metal removal ; Biyokütle = Biomass ; Biyoçar = Biochair ; Boyar maddeler = Dyestuffs ; Piroliz = Pyrolysis

Özet:
Endüstriyel atıksular, çevre ve insan sağlığı açısından ciddi sorunlara yol açabilecek yüksek miktarda ağır metal ve boyar madde konsantrasyonlarına sahiptir. Bu kirletici maddelerin giderilmesinin en yaygın yöntemi adsorpsiyondur. Ancak adsorpsiyon işleminde kullanılan adsorbentlerin pahalı olması ve sık rejenerasyon gerektirmesi en büyük dezavantajıdır. Bu çalışmada tarımsal ve endüstriyel atıklardan etkili ve ekonomik adsorbent maddeler üretilmesi ve kullanım olanaklarının araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla ceviz kabuğu, gül yağı üretiminden arta kalan gül posası ve mobilya üretimi esnasında oluşan meşe talaşları biyokütle olarak seçilmiştir. Manyetik katkı kazandırmak amacıyla biyokütlelere demir yüklemesi yapılmıştır. Biyokütleler 600°C'de piroliz işlemine tabi tutularak manyetik katkılı ve katkısız biyoçar formları üretilmiştir. Üretilen adsorbentlere proksimate, elementel, BET, SEM, EDS mapping, TGA, FTIR, zeta potansiyeli ve VSM yapısal analizleri yapılmıştır. Ağır metal olarak bakır ve çinko, boyar madde olarak malahit yeşili ve congo red giderimi çalışılmıştır. Adsorpsiyon deneyleri farklı adsorbent dozlarında, başlangıç kirletici konsantrasyonlarında, pH, temas süresi ve sıcaklık değerlerinde gerçekleştirilerek optimum adsorpsiyon koşulları belirlenmiştir. Adsorpsiyon mekanizmasının açıklanabilmesi için adsorpsiyon izotermleri, kinetikleri ve termodinamiği çalışılmıştır. Son olarak adsorbentlerin rejenerasyon potansiyellerinin belirlenmesi için desorpsiyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuç olarak, en yüksek giderim verimleri; bakır gideriminde biyoçar ceviz ile %90, çinko gideriminde doğal meşe talaşı ile %76, malahit yeşili gideriminde biyoçar gül ile %98.7 ve congo red gideriminde doğal meşe talaşı ile %89.7 olarak elde edilmiştir. Genel olarak biyoçar formlarda doğal forma göre adsorpsiyon kapasitesi ve giderim verimi artmıştır. Ayırma kolaylığı bakımından boyar madde gideriminde manyetik katkı kazandırılmış biyoçar formların kullanımı uygun görülmüştür. Adsorpsiyon mekanizması çoğunlukla Freundlich izoterm ve yalancı ikinci derece kinetik modeline uymaktadır. Adsorpsiyon termodinamiği sonuçlarına göre, adsorpsiyon katı-sıvı ara yüzeyleri düzensizdir, dışarıdan enerji ihtiyacı olmadan kendiliğinden gerçekleşir ve endotermiktir. Desorpsiyon sonuçlarına göre özellikle boyar madde gideriminde tüm adsorbentlerin rejenerasyon potansiyelleri yüksektir. Kullanılan doğal ürünler atık konumunda olmaları, kolay erişilebilir olmaları, ekonomik ve etkili olmaları nedeniyle ağır metal ve boyar madde gideriminde adsorbent olarak kullanıma uygun olduğu söylenebilir.

Abstract:
Industrial wastewater has high concentrations of heavy metals and dyes that can cause severe environmental and human health problems. The most common method of removing these contaminants is adsorption. However, the most significant disadvantage of the adsorbents used in the adsorption process is that they are expensive and require frequent regeneration. This study it is aimed to produce effective and economical adsorbent materials from agricultural and industrial wastes and to investigate their usage possibilities. For this purpose, walnut shells, rose pulp remaining from rose oil production, and oak shavings formed during furniture production were selected as biomass. Iron loading was applied to the biomass to add magnetic additives. Biochar forms with and without magnetic additives were produced by subjecting the biomass to pyrolysis at 600°C. Proximate, elemental, BET, SEM, EDS mapping, TGA, FTIR, zeta potential, and VSM structural analyses were performed on the adsorbents. Copper and zinc were studied as heavy metals, malachite green and congo red were removed as dyestuffs. Optimum adsorption conditions were determined by performing adsorption experiments at different adsorbent doses, initial pollutant concentrations, pH, contact time, and temperature values. To explain the adsorption mechanism, adsorption isotherms, kinetics, and thermodynamics have been studied. Finally, desorption studies were carried out to determine the regeneration potentials of the adsorbents. As a result, the highest removal efficiencies were obtained 90% with biochar walnut in copper removal, 76% with natural oak sawdust in zinc removal, 98.7% with biochar rose in malachite green removal, and 89.7% with natural oak sawdust in congo red removal. In general, adsorption capacity and removal efficiency increased in biochar forms compared to natural ones. In terms of ease of separation, it was deemed appropriate to use magnetically added biochar forms for dye removal. The adsorption mechanism mostly follows the Freundlich isotherm and pseudo-second order kinetic model. According to the results of adsorption thermodynamics, the adsorption solid-liquid interfaces are irregular, occur spontaneously without the need for external energy, and are endothermic. According to the desorption results, all adsorbents have high regeneration potentials, especially in dyestuff removal. It can be said that the natural products used are suitable for use as adsorbent in the removal of heavy metals and dyestuffs, since they are in waste form, easily accessible, economical and effective.