Ham ve muamele edilmiş çay atıklarının adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Investigation of adsorption characteristics of raw and treated tea wastes
Yazar: YASEMİN MERT
Danışman: PROF. DR. AYTEN ATEŞ
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Ham çay atıklarının  (RTW) N2 atmosferinde üç pirolitik sıcaklıkta (500, 700 ve 900 °C) piroliz, N2'de fosforik asit varlığında 500 °C'de piroliz ve fosforik asit varlığında mikrodalga (MW) ışınlama aktivasyonundan sonra  N2'de 500 °C'de piroliz ile bir dizi biochar üretildi. EDS ve N2 adsorpsiyon-desorpsiyon izotermleri incelendiğinde, piroliz sıcaklığının 500 oC'den 900 oC'ye artırılması biocharın karbon içeriğini ve yüzey alanını arttırdı. 700 oC'nin üzerindeki sıcaklıklarda, çoğunlukla biochar üzerinde mezo ve makro gözenekli yapı oluşmuştur. Piroliz sırasında fosforik asidin varlığı, çoğunlukla oksijen içeren fonksiyonel grupların kalmasına ve önemli bir yüzey alanı artışına neden olmasına rağmen, fosforik asidin ayrışmasından salınan oksijen türleriyle karbonun kısmi oksidasyonu nedeniyle biocharın karbon içeriği azalmıştır. Biocharlarda mikro gözenek oluşumu için piroliz öncesi MW aktivasyonu, asit aktivasyonu ve pirolizden ziyade çok daha etkilidir. Şöyle ki, asit piroliz öncesi MW aktivasyon, biochar yüzey alanını yaklaşık iki kat artırmıştır. Ek olarak, asit aktivasyonu, katyonların asitle uzaklaşmasının bir sonucu olarak biocharların zeta potansiyellerini pozitif bölgeye kaydırmıştır. Ağır metal uzaklaştırma kapasitelerinin değerlendirilmesinde 900 °C'de piroliz edilmiş biochar, kompleksleşme, iyon değişimi ve çökeltme mekanizmaları yoluyla pH 3'te sulu çözeltiden Pb+2 uzaklaştırmada yüksek verim gösterdi. Asit ile aktive edilmiş biocharlar, yapıdaki fonksiyonel grupların (C = O ve OH) bol miktarda bulunmasından dolayı Cu+2 ve Cd+2'nin uzaklaştırılmasında yüksek kapasite göstermiştir. 900 oC'de piroliz edilen biochardan elde edilen adsorpsiyon verileri izoterm modellerine uygulanmış ve Freundlich izotermi, Pb+2  ve Cu+2  'dan elde edilen verilere daha iyi uyarken, Langmuir izoterm modelinin Cd+2'ye iyi uyduğu bulunmuştur. Ek olarak, yalancı ikinci mertebeden modeli, Pb+2, Cu+2 ve Cd+2 adsorpsiyonu için yalancı birinci mertbeden ve partikül içi difüzyon modellerinden daha yüksek R2 değerlerine sahiptir. Pb+2, Cu+2  ve Cd+2'nın adsorpsiyon mekanizması, çökelmenin yanı sıra kompleksleşme, elektrostatik etkileşim, iyon değişimi ve fiziksel adsorpsiyonu içermektedir.

Abstract:
A series of biochars was produced from raw tea waste (RTW) by pyrolysis at three pyrolytic temperatures (500, 700 and 900 oC) in N2, pyrolysis at 500 oC in the presence of phosphoric acid in N2 and pyrolysis at 500 oC in N2 after microwave (MW) irradiation activation in the presence of phosphoric acid. Based on EDS and N2- adsorption- desorption isotherms, increase of pyrolysis temperature from 500 oC to 900 oC increased the carbon content and surface area of biochar. At the temperatures above 700 oC, meso and macroporous structure was mostly formed on the biochar.  Whereas the presence of phosphoric acid during pyrolysis led to mostly remain of oxygen-containing functional groups and a significant increase of surface area, it decreased carbonization of biochar due to partial oxidation of carbon with oxygen species released from decomposition of phosphoric acid. MW activation before pyrolysis was more effective for formation of micropores of biochars than acid activation and pyrolysis. Namely, MW activation before pyrolysis in acid increased almost two times surface area of biochar. In addition, acid activation shifted zeta potentials of biochars into positive region as a result of leaching of cations with acid.  In evaluating heavy metal removal capacities, the biochar pyrolyzed at 900 oC showed high removal efficiency for Pb from aqueous solution at pH 3 through complexation ion exchange and precipitation.  Acid activated biochars enhanced sorption capacity of Cu and Cd due to the abundant presence of functional groups (C=O and OH) on the biochars. The adsorption data obtained from the biochar pyrolyzed at 900 oC were applied to isotherm models and found that while the Freundlich isotherm better fits to data obtained from Pb2+ and Cu2+, the Langmuir isotherm model fits well to Cd2+. In addition, the pseudo-second-order model has higher R2 values for Pb2+, Cu2+ and Cd2+ adsorption than pseudo-first-order and intraparticle diffusion models. The adsorption mechanism of Pb2+, Cu2+ and Cd2+ occurs precipitation as well as complexation, electrostatic interaction, ion exchange and physical adsorption.