Doğal zeolit, perlit ve kil mineralleri ile sulu çözeltilerden kurşun iyonlarının adsorpsiyonu
Lead adsorption from aqueous solutions using natural zeolite, perlite, clay minerals
Yazar: OSMAN UYGUN
Danışman: DOÇ. DR. GAYE ÖZGÜR ÇAKAL
Ankara Üniversitesi / Nükleer Bilimler Enstitüsü / Medikal Fizik Ana Bilim Dalı / Sağlık Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Kil = Clay ; Kurşun = Lead ; Mineraller = Minerals ; Perlit = Perlite ; Radyokimya = Radiochemistry ; Sintilasyon sayımı = Scintillation counting ; Zeolitler = Zeolites ; İyon = Ion

Özet:
Kurşun soluma, yutma veya deriye nüfuz etme yoluyla canlı organizmalarda birikebilen son derece toksik bir ağır metaldir. 238U doğal bozunum zinciri sırasında oluşan 210Pb radyoaktif izotopunun vücuda alınması durumunda kararlı radyasyon maruziyetine bağlı stokastik etkiler gibi ciddi sorunlar da açığa çıkabilmektedir. Dünya sağlık örgütü verilerine göre içme suları için kararlı kurşun kılavuz değeri 0,1mg/L, 210Pb kaynaklı radyoaktivite için ise 0,1Bq/L olarak belirtilmiştir. Sulardaki kurşun seviyesinin azaltılarak tavsiye edilen değerlere düşürülmesi canlı sağlığı için kritik öneme sahiptir. Adsorpsiyon etkili, pratik ve ekonomik olması nedeniyle sulu çözeltilerden kurşun iyonlarının (Pb+2) uzaklaştırılması için öne çıkan bir yöntemdir. Bu yöntemde kullanılan adsorbanın ve adsorpsiyon parametrelerinin seçimi adsorpsiyon kapasitesini etkilemektedir.  Gerçekleştirilen bu tez çalışmasında ülkemiz topraklarından elde edilen bentonit, perlit, sepiyolit ve zeolit mineralleri adsorban olarak kullanılarak, öncelikle XRD, XRF, FTIR, SEM/EDS analizleri yardımıyla karakterizasyonları yapılmış ve fizikokimyasal özellikleri belirlenmiştir. Bu mineraller kullanılarak sulu çözeltilerden Pb+2 adsorpsiyonu için optimum parametreler belirlenerek, sürecinin kinetik, izoterm ve termodinamik modellemeleri yapılmıştır. Kesikli adsorpsiyon deneyleri sonucunda 400mg/L başlangıç Pb+2 derişimi için optimum koşullar pH 7, temas süresi 2 saat, katı/sıvı oranı 5g/L, sıcaklık 25°C, çalkalama hızı ise 75dev/dk olarak tespit edilmiştir. Bu materyallarin maksimum adsorpsiyon kapasiteleri bentonit için 130,38mg/g, perlit için 8,90mg/g, sepiyolit için 60,37mg/g ve zeolit için ise 36,03mg/g olarak tespit edilmiştir. Bu çalışmada tüm minerallerin Langmuir izotermine uyduğu, kinetik olarak perlitin ise yalancı (pseudo) birinci derece modele, bentonit, sepiyolit ve zeolitin ise yalancı (pseudo) ikinci derece modele göre davrandığı görülmüştür. Adsorpsiyonun spontan olarak gerçekleştiği, katyon değişimine ek olarak elektrostatik etkileşimin de adsorpsiyonu etkilediği görülmüştür.  Hazırlanan radyoaktif sulu çözeltiden 210Pb adsorpsiyonu da optimum parametrelerde gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda bentonit, perlit, sepiyolit ve zeolit minerallerinin Pb+2 iyonu ve 210Pb kirliliğini gidermekte kullanılabileceği görülmüştür.
Bu tez "Doğal Zeolit, Perlit ve Kil Mineralleri ile Sulu Çözeltilerden Kurşun İyonlarının Adsorpsiyonu" başlıklı ve BAP-21L0405003 kodlu Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi Yüksek Lisans Tez Projesi kapsamında desteklenmiştir.

Abstract:
Lead is a toxic heavy metal that accumulates in living organisms by inhalation, ingestion, or skin penetration. In case of 210Pb isotope ingestion, serious problems such as stochastic effects due to radiation exposure may occur. According to WHO, the guideline is 0,1mg/L for stable lead and 0,1Bq/L for radioactivity originating from 210Pb in drinking water. Reducing the lead level in water to its guideline is of critical importance. Adsorption is an effective, practical, and economical method for the removal of lead ions from aqueous solutions. The choice of adsorbent and adsorption parameters affects the adsorption capacity. In this study, bentonite, perlite, sepiolite, and zeolite minerals were used as adsorbents and they were characterized by XRD, XRF, FTIR, SEM/EDS analyses, and their physicochemical properties were determined. Batch adsorption experiments were carried out to determine the optimum parameters in addition to its kinetic, isotherm, and thermodynamic models. As a result of the experiments, optimum conditions were determined as pH 7, contact time 2 hours, initial Pb+2 concentration 400mg/L, solid/liquid ratio 5g/L, temperature 25°C, and shaking speed 75rpm. The adsorption capacities of bentonite, perlite, sepiolite, and zeolite were found as 130.38mg/g, 8.90mg/g, 60.37mg/g, and 36.03mg/g, respectively. It was observed that all minerals obeyed the Langmuir isotherm and perlite behaved according to the pseudo-first-order while other minerals behaved according to the pseudo-second-order kinetic model. It was observed that the adsorption occurred spontaneously, and in addition to the cation exchange, electrostatic interaction also affected the adsorption. Adsorption of 210Pb from the contaminated solution was also carried out at optimum parameters. As a result of  the experiments, it was seen that these minerals can be used to remove Pb+2 and 210Pb pollution.
This thesis is supported by Ankara University BAP via project number BAP-21L0405003 entitled "Lead Adsorption from Aqueous Solutions using Natural Zeolite, Perlite, Clay Minerals".
This thesis is supported by Ankara University BAP via project number BAP-21L0405003 entitled "Lead Adsorption from Aqueous Solutions using Natural Zeolite, Perlite, Clay Minerals".