Şeftali çekirdeği ve polimer esaslı aktif karbon ile sulu çözeltilerden krom (VI) giderimi
Chromium (VI) removal by using peach stone and polymer based activated carbon
Yazar: DİLEK DURANOĞLU GÜLBAYIR
Danışman: PROF. DR. ÜLKER BEKER ; YRD. DOÇ. DR. İLKNUR KÜÇÜK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aktif karbon = Activated carbon ; Kinetik = Kinetics ; Krom giderme = Chromium removal ; X ışını fotoelektron spektroskopisi = X ray photoelectron spectroscopy

Özet:
Deri, tekstil, metal kaplama, pil ve pigment üretimi gibi bir çok endüstride kullanılan krom bileşikleri sulu çözeltilerde Cr(III) ve Cr(VI) şeklinde bulunur. Cr(III) nispeten zararsızdır ve eser miktarı canlı organizmalar için gereklidir. Cr(VI) bileşikleri ise son derece toksik ve kanserojen olduğu için çevreye verilmeden önce uzaklaştırılmalıdır. Sulardan krom giderimi için aktif karbon kullanımı büyük önem taşımasına rağmen ticari aktif karbonların adsorpsiyon kapasitesinin sınırlı ve fiyatının yüksek olması nedenleri ile bu konudaki uygulamalar kısıtlı kalmıştır. Bu çalışmada, farklı başlangıç maddeleri kullanılarak yüksek Cr(VI) sorpsiyon kapasitesine sahip aktif karbonlar üretilmiştir.Deneysel çalışmalar iki farklı başlangıç maddesi kullanılarak aktif karbon üretimi ve Cr(VI) sorpsiyonu olmak üzere iki ana başlıkta gerçekleştirilmiştir. Dünya sıralamasında üretiminde beşinci sırada olduğumuz şeftali meyvesinin çekirdeği ve çapraz bağlı makro gözenekli akrilonitril divinil benzen (AN/DVB) kopolimeri aktif karbon üretiminde kullanılan başlangıç maddeleridir. Şeftali çekirdeği ile gerçekleştirilen üretim deneylerinde su buharı ve potasyum hidroksit aktivasyonu, polimer esaslı aktif karbon üretiminde ise hava aktivasyonu uygulanmıştır. Elde edilen aktif karbon numuneleri N2 adsorpsiyon yöntemi, FTIR Spektroskopisi, Boehm titrasyonu analizi, SEM, pH titrasyonu analizi, zeta potansiyeli ölçümleri, elementel analiz ve kjeldahl azotu tayini kullanılarak karakterize edilmiştir.Sulu çözeltilerden Cr(VI) giderimi şeftali çekirdeği esaslı (KSN) ve polimer esaslı (PAK) aktif karbon ile ticari aktif karbon (Chemviron, CPG-LF) kullanılarak kesikli ve sürekli akışlı sistemlerde incelenmiştir. Sorpsiyon kapasiteleri CPG-LF ? KSN > PAK sırasıyla değişmektedir ve en iyi Cr(VI) giderimi pH 2'de elde edilmiştir. Denge adsorpsiyon verilerinin Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon modellerine uygunluğu incelenmiş ve sorpsiyonun Freundlich modeline daha çok uyduğu görülmüştür. Sorpsiyon kinetiği yalancı (pseudo) ikinci derece denklem kullanılarak modellenmiştir. Aktif karbonların rejenerasyonu farklı konsantrasyonlardaki asit ve alkali çözeltileri kullanılarak gerçekleştirilmiş ve yürütülen adsorpsiyon/desorpsiyon deneyleri ile kapasitedeki değişimler beş döngü boyunca incelenmiştir. Cr(VI) sorpsiyonunun aktivasyon enerjisi, ortalama serbest sorpsiyon enerjisi, izosterik adsorpsiyon ısısı ile ? G°, ? H°, ? S° gibi termodinamik parametreleri hesaplanmış ve XPS (X-ışını fotoelektron spektroskopisi) kullanılarak Cr(VI) sorpsiyon mekanizması aydınlatılmaya çalışılmıştır.

Abstract:
Chromium compounds which are used in several industry such as leather, textile, metal plating, battery and pigments exist in two stable oxidation states as Cr(III) and Cr(VI). Cr(III) is relatively innocuous and essential trace element for living organisms. Because of its toxicity and carcinogenic nature, Cr(VI) compounds must be removed before discharging to the environment. Although the use of activated carbons for removing chromium from wastewater has been received a great attention, the application in this field is not common because of limited adsorption capacity and high cost of commercial activated carbons. In this study, activated carbons with high Cr(VI) sorption capacity were obtained by using different precursors.Experimental studies were investigated in two main parts as activated carbon production by using two different precursors and Cr(VI) sorption. Turkey is the fifth peach producer in the world. Peach stone and crosslinked macro porous acrylonitrile divinyl benzene copolymer were used as precursor. Steam and potassium hydroxide activation were applied for production of peach stone based activated carbon while air oxidation was used for production of polymer based one. Obtained activated carbon samples were characterized bu using N2 adsorption measurements, FTIR Spectroscopy, Boehm?s titration, SEM, pH titration analysis, zeta potential measurements, elemental analysis and kjeldahl nitrogen analysis.Cr(VI) removal from aqueous solution was investigated by using peach stone based (KSN), polymer based (PAK) and commercial activated carbon (Chemviron, CPG-LF) in batch and continuous flow system. Sorption capacity alters in order by CPG-LF >=KSN > PAK and maximum Cr(VI) removal was obtained at pH 2. Equilibrium adsorption data were applied to Langmuir and Freundlich adsorption model; all data were fitted to Freundlich model. Cr(VI) uptake was described by pseudo second-order rate model. Regeneration of chromium loaded activated carbon samples was carried out by using different strength of acid and alkali solution and variation of sorption capacity was investigated during the five cycles of adsorption/desorption experiments. Activation energy, mean free sorption energy, isosteric adsorption heat and thermodynamic parameters like ? G°, ? H°, ? S° were calculated. In addition, Cr(VI) sorption mechanism were explained by using XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).