Stronsiyum'un selektif adsorpsiyonu'nun tekstil atık su arıtma çamurundan üretilen aktif karbon ile incelenmesi
Selective strontium adsorption by activated carbon produced from the textile sewage sludges
Yazar: ERDAL KAÇAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CEREN KÜTAHYALI
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, tekstil atık su arıtma tesisinden alınan atık çamurlardan kimyasal aktivasyon yöntemiyle (KOH) aktif karbon elde edilmiş, yapısal özellikleri; porozite, yüzey alanı, FT-IR ve SEM analizleri yardımı ile karakterize edilmiştir. Üretilen aktif karbonun stronsiyum iyonu adsorpsiyonunda kullanımı incelenmiştir.Farklı sıcaklıklarda (400-700 0C) ve emdirme oranlarında (atık çamur: aktivasyon ajanı, 1:1, 1:2) adsorbanlar hazırlanmış, Sr+2 adsorplama kapasiteleri tayin edilmiştir. 500 0C'de 1 saat ve 1:1 emdirme oranı ile hazırlanan adsorbanın en iyi adsorplama kapasitesine (12.11 mg/g) sahip olduğu belirlenmiştir. Deneysel tasarım yönteminde kullanılacak olan çalkalama süresi aralığını belirlemek üzere farklı sürelerde çalkalama yapılmış, ancak, adsorpsiyonda süreye bağlı belirgin bir değişim gözlenmediğinden, çalkalama süresi 5 dakika alınmıştır.Stronsiyum alım denemelerinekesikli (batch) yöntem ile devam edilmiş, etki eden parametreler deneysel tasarım yaklaşımı ile Merkezi Kompozit Tasarım (Central Composite Design, CCD) kullanılarak incelenmiştir. Çalışmada, dört bağımsız değişken olarak ortamın başlangıç pH'ı (4-8), sıcaklık (20-60 oC),Sr+2başlangıç derişimi (10-90 mg/L) ve aktif karbon miktarı (0.005-0.205 g) seçilmiştir. En küçük kareler yöntemi kullanılarak regresyon katsayıları bulunmuş, Merkezi Kompozit Tasarımdan elde edilen polinomal denkleme göre cevap yüzey grafikleri oluşturulmuştur. Uygulanan modelin % 95 güven aralığı içerisindeki ANOVA (Analysis of Variance) analizi incelenmiş ve model ile deneysel bulguların uyumuna bakılmıştır. Modelin önemlilik F değerinin P<0.05 ve model F değerinin 19.94 olarak elde edilmesi, regresyonunun istatistikî olarak yüksek değer gösterdiğini belirtmektedir. Korelasyon katsayısı (R2) değerinin %95 olarak belirlenmesi, gözlenen değerlerle öngörülen değerler arasında yüksek bir uyumluluk olduğunu göstermektedir.Regresyon analizi sonucunda; ana bileşenlerden, pH ve sıcaklık parametrelerinin P değerleri 0.05'ten büyük olduğundan sadece bu ana bileşenlerin ayrı ayrı değişiminin bu model ile açıklanamayacağı sonucuna varılmıştır. Diğer taraftan, ana etkilerden Sr+2iyonu derişiminin adsorpsiyon verimini azaltıcı, aktif karbon miktarının iseadsorpsiyon verimini arttırıcı yönde etkilediği sonucuna varılmıştır.İkili etkileşimlerden, pH-sıcaklık, pH-Sr+2derişimi, sıcaklık-aktif karbon miktarı ve Sr+2 derişimi-aktif karbon miktarı parametrelerininberaberce adsorpsiyonu arttırıcı yönde, pH-aktif karbon miktarı ve sıcaklık-Sr+2 derişimi parametrelerinin de beraberce adsorpsiyonu azaltıcı yönde önem taşıdığı görülmüştür.Asit ile yıkanan aktif karbonların yüzey alanlarında önemli ölçüde iyileşmeler gözlenmiştir. Asit ile yıkanmayan absorbanın BET yüzey alanı 69.13 m2/g iken, asit ile yıkanan adsorbanın BET yüzey alanı 135.68 m2/g bulunmuştur. Düşük pH'larda da (pH1-4) denemeler yapılmış veSr+2 adsorpsiyon veriminin % 0-55 arasında olduğu tespit edilmiştir.Maksimum Sr+2 adsorpsiyonu için belirlenen optimum değerler; pH: 6, sıcaklık 60 oC, Sr+2 derişimi10 ppm ve adsorban miktarı 0.2 g olarak tespit edilmiştir.Adsorpsiyonun karakterizasyonunu yapabilmek için Langmuir, Freundlich ve D-R izoterm modellerine uygunluğu incelenmiş ve termodinamik parametrelerden; standart entalpi (?Ho), standart entropi (?So) ve Gibbs serbest enerji değişimi (?Go) hesaplanmıştır. Aktif karbon üzerine stronsiyum adsorpsiyonunun Freundlich izoterm modeline uyduğu, adsorpsiyonun (E=7.2 kJ/mol) fiziksel adsorpsiyon olduğutanımlanmıştır. Adsorpsiyon reaksiyonlarının kendiliğinden, istemli olarak oluştuğu ve endotermik olduğu hesaplanmıştır.Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyon, aktifkarbon, atık su arıtma çamuru, deneysel tasarım, stronsiyum.

Abstract:
In this work activated carbon was produced from textile sewage sludges by chemical activation (KOH) method. The adsorbent was characterized by using SEM, FT-IR, surface area, and porosity analyzer. This characterized adsorbent was investigated in the use of strontium adsorption.Different types of activated carbons were prepared by changing the activation temperatures (400-700 oC) and impregnation ratio (sewage sludge: KOH, 1:1, 1:2) and the removal of Sr+2 from aqueous solution by these carbons was determined. The maximum adsorption yield (12.11 mg/g) was obtained at 500 oC for 1 hour carbonisation conditions with impregnation ratio of 1:1.In order to use in the experimental method, the equilibrium time for Sr+2removal was investigated. However, no change in the uptake capacity was observed with increasing the contact time. Therefore, 5 minutes shaking time was selected as anoptimum parameter.The strontium uptake experiments have been carried out by batch method. The affecting parameters were analyzed by using central composite design method. The parameters; initial pH (4-8), temperature (20-60 oC), initial strontium concentration (10-90 mg/L) and carbon dosage (0.005-0.205 g) were selected for this study. The regression coefficents were obtained by the least squares method and the response surface plots were generated according to polynomial equation which is derived from central composite design. The ANOVA (analysis of variance) data were investigated in 95 % confidence level and checked to fitting of experimental value and predicted value. The significant F was P<0.05 with a model F value of 19.94 which revealed that thisregression is statistically significant. The correlation coefficient value (R2) of 95 % showed that there was a high correlation between the observed values and the predicted ones.As a result of regression analysis, it was found that pH and temperature parametres are not induvidially statistically significant for Sr+2 sorption because of their P values greater than 0.05. On the other hand, it is resulted in that the efficiency of strontium sorption, inceases with the increase in carbon dosage and decreases with the Sr+2 concentration.The influences of initial pH-temperature, pH-Sr+2 concentration, temperature-carbon dosage and Sr+2concentration-carbon dosage on the adsorption process were considered statistically significant and Sr+2 sorption incerases with incerasing these interaction parametres. On the other hand, pH-carbon dosage and temperatue- Sr+2 concentration parametres both have a decreased influence on the adsorption process.The washing of sewage sludge chars with HCl yielded a dramatic improvement in their BET surface areas. Without the HCl washing step, the activated carbon exhibited a BET surfacearea of only 69.13 m2/g. The washing of sewage sludge chars with HCl was found as135.68 m2/g. The strontium uptake experiments were made at low pH values (pH1-4) which resulted in that adsorption efficiencies were relatively high (55%).The optimum points giving the maximum uptake of strontium ions were found to be at initial pH= 6, temperature 60 oC, initial concentration 10 ppm and carbon dosage 0.2 g.In order to identify the adsorption process, the adsorption data were fitted by Langmuir, Freundlich and D-R isotherm models and thermodynamic parameters such as ?Ho, ?Soand ?Go were calculated. The results showed that the adsorption of strontium on activated carbon was described byFreundlich isotherm of as a physical adsorption (E= 7.2 kJ/mol). The adsorption reactions were calculated as endothermic, spontaneous and favorable reactions.Key words: Adsorption, activated carbon, sewage sludge, strontium, experimental design