Sulu ortamdan 4-nitrofenolün XAD-7 reçinesi üzerindeki adsorpsiyon ve desorpsiyonunun deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of adsorption and desorption of 4-nitrophenol onto XAD-7 resin from aqueous system
Yazar: ÖZGE YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. NEVİM SAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Adsorpsiyon kinetiği = Adsorption kinetic ; Desorpsiyon = Desorption

Özet:
4-nitrofenol endüstride çok sık kullanılan organik bir bileşiktir. Labaratuvar ortamında çözücü ve reaktan olarak kullanımının dışında, ilaçların, böcek ilaçlarının, boyaların üretilmesinde ve derilerin renklerinin koyulaştırılmasında kullanılmaktadır. Su ortamında düşük konsantrasyonlarda bile 4-nitrofenol çok büyük miktarda suyun kirlenmesine neden olmaktadır. Kirlenen sular çevre ve insan sağlığı açısından tehlike oluşturmaktadır. Bu nedenle 4-nitrofenol içeren atık sulardan bu maddenin uzaklaştırılması işlemleri çevresel ve ekolojik açıdan önem kazanmaktadır. Böyle maddeleri sulu ortamlardan gidermek için çeşitli yöntemler olmasına karşın, bu yöntemlerin uygulama alanlarının kısıtlı olması, fazla enerji gerektirmeleri, pahalı olmaları ve ikincil kirletici maddeler oluşturmaları gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bu yüzden de 1850'lerden itibaren gelişmeye başlayan adsorpsiyon bilimi, bunlara alternatif olarak geçerliliğini hala sürdürmektedir. Adsorpsiyon işlemi, çevreye zararlı yan ürünler vermemesi, tekrar kullanıma olanak sağlaması ve etki alanının yüksek olması sebebiyle tercih edilen bir yöntemdir.
Adsorpsiyon işlemi sırasında, adsorban olarak polimerik esaslı ve polar karakterli bir ticari reçine olan Amberlite XAD-7 seçilmiştir. Bu reçine, yüksek yüzey alanı, alifatik yapısı, sulu sistemlerden polar olmayan bileşikleri, polar olmayan çözücülerden de polar bileşikleri adsorplayabilmesi, mükemmel fiziksel ve termal kararlılığa sahip olması gibi özelliklerinden dolayı tercih edilmiştir.
Bu çalışmada amaç; sulu ortamlarda bulunan organik aromatik bir kirletici madde olan 4-nitrofenolün ortamdan giderilmesi için Amberlite XAD-7 reçinesinin uygun bir adsorban olup olmadığını tespit etmektir. Bunun için sabit sıcaklıktaki yatay çalkalamalı bir su banyosu kullanılarak kesikli sistemde adsorpsiyon ve desorpsiyon denemeleri yapılmıştır. Adsorban maddenin miktarının, 4-nitrofenolün başlangıç konsantrasyonunun, pH'nin, sıfır yük noktasının, temas süresinin ve sıcaklığın adsorpsiyon işlemi üzerine etkisi incelenmiştir. Adsorpsiyon işleminin denge verileri değerlendirildiğinde Freundlich izotermi ile uygunluk gösterdiği görülmüştür. Kinetik ve termodinamik veriler de incelenmiştir. Bunun sonucunda, adsorpsiyon kinetiğinin yalancı ikinci mertebeden kinetik modele uyduğu ve parçacık içi difüzyon modelinin üç basamakta gerçekleştiği görülmüştür. Termodinamik parametrelerden olan ∆Go değeri 1x10-4 mol L-1 başlangıç 4-nitrofenol konsantrasyonu ve 3 g L-1 optimum adsorban miktarı için 293 K'de -5,41 kJ mol-1 olarak hesaplanmıştır. Aynı koşullarda 4 farklı sıcaklık değeri için ∆Ho değeri, -20,03 kJ mol-1 ve ∆So değeri ise -49,89 J mol-1 K-1 olarak bulunmuştur. 4-nitrofenolün XAD-7 reçinesi üzerindeki adsorpsiyonu zayıf asidik ortamlarda iyi sonuçlar vermiştir. Bu yüzden de doğal pH (4,5) değeri optimum pH olarak seçilmiştir ve tüm denemeler bu pH'de gerçekleştirilmiştir. Adsorbanın sıfır yük noktası ise yaklaşık pH=7,5 olarak belirlenmiştir. Bununla beraber, belirli konsantrasyonlardaki NaOH çözeltileri kullanılarak 5 defa desorpsiyon işlemi yapılmıştır ve bu beş çevrim boyunca desorpsiyon çözeltisi olarak NaOH'ın kullanılmasının oldukça uygun bir seçim olduğu anlaşılmıştır. Yapılan bütün bu çalışmalar sonucunda 4-nitrofenolün sulu çözeltilerden giderilmesinde adsorpsiyon işleminin kullanışlı bir yöntem olduğu ve adsorban maddemizin desorpsiyon işlemlerinden sonra bozulmadan tekrar tekrar kulllanılabileceği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyon, desorpsiyon, 4-nitrofenol, XAD-7, adsorpsiyon izotermleri, adsorpsiyon kinetiği, adsorpsiyon termodinamiği

Abstract:
4-nitrophenol is an organic compound that used very commonly in the industry. It is used as solvent and reactant in the laboratory and it is also used for the production of medicines, pesticides, and dyes and to darken the colours of the leathers. In the aquatic environment, even at low concentrations of 4-nitrophenol leads to a huge amount of water pollution. Polluted water is hazardous to the environment and human health. Therefore, removal of this material from waste water containing 4-nitrophenol is important environmentally and ecologically. Although a variety of methods are available for removal of these substances from aqueous mediums, these methods have some disadvantages such as limited field of applications, more energy requirement, expensiveness and creating secondary pollutants. Therefore, adsorption science, that started to develop from the 1850s, still maintains its validity as an alternative to them. Adsorption process is the preferred method because of its lack of harmful by-products into the environment, allowing for reuse and its high impact areas. 
During the adsorption process, Amberlite XAD-7, which is a resin produced commercially, polymeric based and polar, was selected as the adsorbent. XAD-7 resin has high surface area, aliphatic structure and excellent physical and thermal stability and also these resins can adsorb non-polar compounds from aqueous systems and polar compounds from non-polar solvents. For this reason, Amberlite XAD-7 resin is preferred due to its all these features. 
The aim of this study is to determine whether Amberlite XAD-7 resin is appropriate adsorbent for the removal of 4-nitrophenol, which is an aromatic organic pollutant, from aqueous mediums. Therefore, adsorption and desorption tests were conducted using a horizontal shaker water bath at constant temperature in batch system. The effects of contact time, the amount of adsorbent, initial concentration of 4-nitrophenol pH, the point of zero charge of the adsorbent and temperature on the adsorption process were investigated. Considering equilibrium data of the adsorption process, Freundlich isotherm was found to be suitable for this adsorption. Kinetic and thermodynamic data were also analyzed. As a consequence of this, it was observed that the adsorption kinetics fitted the pseudo-second-order kinetic model and intra-particle diffusion model carried out in three steps. ∆G0 value of the thermodynamic parameters was calculated as -5,41 kJ mol-1 for 1x10-4 mol L-1 initial concentration of 4-nitrophenol, 3 g L-1 optimum adsorbent dose and 293K. At the same conditions for 4 different temperature values, the value of ∆H0 was found as -20,03 kJ mol-1 and the value of ∆S0 was calculated as -49,89 J mol-1 K-1. The adsorption of 4-nitrophenol onto XAD-7 resin yielded good results in weak acidic environment. Therefore, the natural pH (4,5) value is selected as the optimum pH and all tests were performed at this pH. The point of zero charge of the adsorbent was determined approximately pH=7,5. In addition, desorption process was performed five times using NaOH solutions in the certain concentrations and the use of NaOH as the desorption solution was found to be highly suitable choice for this five cycles. As a result of all these studies, it was seen that adsorption process is an useful method for the removal of 4-nitrophenol from aqueous solutions and our adsorbent can be used repeatedly without deterioration after desorption processes. 

Keywords: adsorption, desorption, 4-nitrophenol, XAD-7, adsorption isotherms, adsorption kinetics, thermodynamics of adsorption