Hidrotermal yöntem kullanılarak sentezlenen nanoparçacıklar ile sulardan ağır metal gideriminin incelenmesi
Investigation of heavy metal removal from water by nanoparticles synthesized using hydrothermal method
Yazar: SEMA YILDIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NAİM SEZGİN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Kentleşme ve sanayideki küresel artışla birlikte çevre kirliliği ve kirletici maddelerin çeşitliliği de artmaktadır. Çevre kirliliğine neden olan kirleticilerin en önemlilerinden biri de çok çeşitli endüstriyel faaliyetler sonucunda oluşan atıksulardır. Endüstriyel atıksular, uygun şekilde arıtılmadan alıcı ortamlara deşarj edilirlerse çevre ve canlılar üzerinde (ölümlere kadar ulaşan) toksik etkiler oluştururlar. Ağır metaller ise endüstriyel atıksuların içerisinde bulunan önemli kirleticilerdendir. Ağır metallerin; biyolojik olarak parçalanamamaları, birikim potansiyeline sahip olmaları ve oluşturdukları yüksek toksik etkileri nedeniyle arıtılmaları son derece önemlidir. Sucul ortamlarda bulunan ağır metallerin gideriminde yaygın olarak kimyasal çöktürme, elektrokimyasal teknikler, membran filtrasyonu, iyon değiştirme ve adsorbsiyon gibi metotlar kullanılmaktadır. Bu metotlardan adsorpsiyon yöntemi basitlik, hızlı giderim, yüksek verim, düşük maliyet ve en az ikincil kirlenme gibi özellikleri nedeniyle en etkili teknik olarak düşünülmektedir. 
Adsorpsiyon proseslerinde verimli ve düşük maliyetli adsorbanlar, adsorpsiyon teknolojilerinin gelişimi ve yaygın kullanımında hayati bir önem taşımaktadır. Bu nedenle alternatif düşük maliyetli adsorban malzemelerin özellikle de nanoparçacıkları kullanımına son yıllarda büyük bir ilgi duyulmaktadır. Nanoparçacıklar geniş yüzey alanı ve yüksek adsorpsiyon kapasitesi, doymamış yüzeyleri, basit uygulama ve basit üretim gibi özellikleri nedeniyle tercih edilmektedirler. Ayrıca, manyetik özellikleri olan nanoparçacıkların hem metallere olan hassasiyeti hem de sucul ortamlardan mıknatıslanma ile kolayca toparlanabilmeleri nedeniyle arıtma çalışmalarında yoğun olarak kullanılmalarına sebebiyet vermektedir. 
Bu çalışmada, endüstriyel atıksular ve sulardan manyetik nanoparçacıklarla ağır metal (bakır (II) ve nikel (II)) giderimi incelenmiştir. Bu amaçla manyetik özelliği olan Co0.1Zn0.9O nanoparçacığının sentezi ve karakterizasyonu yapılmış ve ağır metal olarak bakır (II) ve nikel (II) içeren sentetik atıksular oluşturulmuştur. Deneysel çalışmalar için bir tasarım yöntemi olan Response Surface Methodology (RSM) yöntemi Design Expert 11.0 programı ile kullanılmıştır. RSM yönteminde yer alan farklı tasarım yöntemleri için deney setleri oluşturularak elde edilen sonuçların verileri programa girilmiş ve tasarım modellerinin değerlendirilmesi yapılmıştır.
Deneysel çalışmalar ve modelleme programı ile sulardan ağır metal (bakır (II) ve nikel (II)) giderimine adsorban (nanoparçacık) miktarının, temas süresinin, başlangıç metal konsantrasyonu ve pH'ın etkileri belirlenmiştir. Ayrıca, ilave deneyler yapılarak en uygun izoterm modeli ile kinetik model tespit edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre bakır (II) giderimi için en uygun RSM tasarım modelinin MKT5-3 tekrarlı (Merkezi Kompozit Tasarım-MKT) model olduğu ve bakır (II) iyonlarının %80.29 oranında giderildiği belirlenmiştir. Bu modelde optimum deneysel koşullar olan adsorban dozajı, başlangıç metal konsantrasyonu, temas süresi, pH ve tutma kapasitesi için sırasıyla 2.94 g/L, 67.73 mg/L, 74.13 dk, 4.74 ve 18.66 mg/g değerleri bulunmuştur. Sulardan Co0.1Zn0.9O nanoparçacığı ile nikel gideriminde deneysel tasarım olarak BBT-5 tekrarlı (Box-Behnken Tasarımı-BBT) tasarım modeli uygulanmış ve elde edilen sonuçlara göre optimum deneysel koşulları giderim verimi %28.54, tutma kapasitesi 17.99 mg/g, adsorban dozajı, 3.46 g/L, başlangıç metal konsantrasyonu 153.87 mg/L, temas süresi 20.75 dk ve pH 3.20 olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar değerlendirildiğinde adsorban olarak kullanılan nanoparçacığın düşük giderim değeri nedeniyle sulardan nikel (II) giderimi için verimli olmadığı görülmüştür. Sulardan bakır (II) adsorpsiyonu için yapılan izoterm çalışmalarında en uygun modelin en yüksek R2 (0.898) değeri ile Freundlich izoterm modeli olduğu bulunmuştur. Adsorpsiyon kinetiğini belirlemek için ise hesaplanan parametrelere göre pseudo second order (ikinci derece) modelin daha uygun (R2 değeri 0.994) olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, kinetik denklemlerinden teorik olarak elde edilen qe (tutma kapasitesi) değerleri ile deneysel olarak bulunan qe değeri karşılaştırıldığında pseudo second order qe değeri (18.93) ile deneysel qe (18.76) değerlerinin birbirine çok yakın olduğu görülmüştür.

Abstract:
Environmental pollution and diversity of pollutants are also increased with the global increase of urbanization and industry. One of the most important pollutants causing environmental pollution is wastewater that is generated by a wide range of industrial activities. If the industrial wastewater is discharged to receiving environments without proper treatment, it creates toxic effects (reaching deaths) on the environment and living organisms. Heavy metals are important pollutants in industrial wastewater. Heavy metals removal is very important because of their non-biodegradability, accumulation potential and high toxic effects on living organism. Chemical precipitation, electrochemical techniques, membrane filtration, ion exchange and adsorption methods are commonly used for the removal of heavy metals in aquatic environments. Adsorption method is considered to be the most effective technique because of its simplicity, fast removal, high efficiency, low cost and minimal secondary contamination.
More efficient and low-cost materials in adsorption processes are important for its commonly using and development of adsorption technologies. Therefore, there has been great interest in the use of alternative low-cost adsorbent materials, particularly nanoparticles, in recent years. Nanoparticles are selected because of their large surface area and high adsorption capacity, unsaturated surfaces, simple applications and simple productions. In addition, nanoparticles which have magnetic properties are used intensively in purification studies due to their sensitivity to metals and their ability to recover easily by magnetization from aquatic environments.
In this study, removal of heavy metals (copper (II) and nickel (II)) from water were investigated by using magnetic nanoparticle (Co0.1Zn0.9O). To this aim, the synthesis and characterization of nanoparticle which has magnetic properties was made and synthetic wastewaters that are contain copper (II) and nickel (II) were formed. Response Surface Methodology (RSM), a design method for experimental studies, was used with the Design Expert 11.0 program. Experimental sets were created for different design methods in the RSM method. The data of the results were entered into the program and the design models were evaluated for optimum removal conditions. The effects of adsorbent (nanoparticle) dosage, contact time, initial metal concentration and pH on heavy metal (copper (II) and nickel (II)) removal from water were determined by the experimental studies and modelling program in this study. Also, additional experimental studies were conducted for adsorption isotherm model and kinetics. According to the obtaining results in this study, the most suitable RSM design model for copper (II) removal was CCD5-with 3 repeat (Central Composite Design-CCD) model and copper (II) ions were removed by 80.29%. In this model, the adsorbent dosage, initial metal concentration, contact time, pH and adsorption capacity were found to be 2.94 g/L, 67.73 mg/L, 74.13 min, 4.74 and 18.66 mg/g, respectively for the optimum experimental conditions. BBD-with 5 repeat (Box-Behnken Design -BBD) design model was applied as an experimental design model for nickel (II) removal using Co0.1Zn0.9O nanoparticles from water and according to the results, the removal efficiency was 28.54%, adsorption capacity was 17.99 mg/g, adsorbent dosage was 3.46 g/L, initial concentration was 153.87 mg/L, the contact time was 20.75 min and the pH was 3.20. When these results were evaluated, it was found that the nanoparticle used as adsorbent was not efficient for removing nickel (II) from water due to its low removal efficiency. In the isotherm studies for copper (II) adsorption from water, the most suitable model was found to be Freundlich isotherm model with the highest R2 (0.898) value. According to the parameters that were calculated to determine the adsorption kinetics, the pseudo second order model was found to be more appropriate (R2 value 0.994). In addition, where the qe values (adsorption capacity) that was obtained theoretically from kinetic equations were compared with the qe values that was found experimentally, it was seen that the pseudo second order qe value (18.93) and experimental qe (18.76) values were very close to each other.