Şeker pancarı küspesi adsorbente tekli nikel(II) ve tekli krom(VI) iyonlarının ve eşanlı veya ardışık olarak ikili karışımlarının adsorpsiyonunun incelenmesi
Investigation of adsorption of single nickel(II) and single chromium(VI) ions and simultaneous or sequential adsorption of their binary mixtures to sugar beet pulp adsorbent
Yazar: SEDA BATMAZ
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında kurutulmuş şeker pancarı küspesi adsorbente krom(VI) ve nikel(II) iyonlarının tekli adsorpsiyonu ve ikili karışımlarının eşanlı ve ardışık adsorpsiyonları kesikli sistemde incelenmiştir.
Tez çalışmasının ilk kısmında her bir metal iyonunun tekli adsorpsiyonu, başlangıç pH'ının, adsorbent tanecik boyut aralığının ve başlangıç metal iyon derişiminin fonksiyonu olarak incelenmiş ve en uygun çalışma pH değeri krom(VI) iyonları için 2, nikel(II) iyonları için ise 6 olarak tespit edilmiştir. En uygun tanecik boyut aralığı olarak saptanan 710–850 µm tanecik boyut aralığında her bir metal iyonu için başlangıç metal iyonu derişiminin 250 mg/L ye kadar artmasıyla adsorpsiyon kapasitesinin arttığı, adsorpsiyon veriminin ise azaldığı gözlenmiştir. Kurutulmuş şeker pancarı küspesi adsorbentin en yüksek krom(VI) adsorpsiyon kapasitesi pH 2'de 64,8 mg/g olarak, en yüksek nikel(II) adsorpsiyon kapasitesi pH 6'da 18,6 mg/g olarak saptanmıştır.
Çalışmaların bir sonraki aşamasında her bir metal iyonunun en iyi adsorplandığı pH değerleri olan pH 2 ve 6'da, krom(VI) ve nikel(II) iyonlarının ikili karışımlarının kurutulmuş şeker pancarı küspesi adsorbente eşanlı adsorpsiyonu araştırılmış ve sabit metal iyon derişiminde diğer metal iyonunun derişimi değiştirilerek her bir metal iyonunun adsorpsiyon hız ve kapasitesine ortak etkileri incelenmiştir. Her iki pH değerinde de ortamdaki krom(VI) iyonlarının varlığının nikel(II) iyon adsorpsiyonunu çok fazla arttırdığı (sinerjik etki), nikel(II) iyonlarının varlığının ise krom(VI) adsorpsiyonunu yine önemli derecede azalttığı (antagonistik etki) gözlenmiştir. pH 2'de, ortamda nikel(II) iyonları bulunmadığı durumda, 250 mg/L başlangıç krom(VI) derişiminde küspe adsorbentin en yüksek krom(VI) adsorpsiyon kapasitesi 64,8 mg/g iken, yine aynı krom(VI) başlangıç derişiminde ortamda 250 mg/L nikel(II) iyonu bulunduğunda bu değer 11,9 mg/g'a düşmüştür. Yine pH 2'de ortamda krom(VI) iyonları bulunmadığı durumda, 250 mg/L başlangıç nikel(II) iyon derişiminde küspe adsorbentin en yüksek nikel(II) adsorpsiyon kapasitesi 6,0 mg/g iken, yine aynı başlangıç nikel(II) iyon derişiminde ortamda 250 mg/L krom(VI) iyonu bulunduğunda bu değer 18,5 mg/g'a çıkmıştır. pH 6'da ise tekli krom(VI) adsorpsiyonunda elde edilen en yüksek 14,1 mg/g adsorpsiyon kapasitesi 250 mg/L nikel(II) varlığında 9,2 mg/g'a düşmüştür. Aynı şekilde tekli nikel(II) adsorpsiyonunda elde edilen en yüksek 18,6 mg/g adsorpsiyon kapasitesi 250 mg/L krom(VI) varlığında 42,0 mg/g'a çıkmıştır. 
Çalışmaların daha sonraki kısmında kurutulmuş şeker pancarı küspesi adsorbentine krom(VI) ve nikel(II) iyonlarının ardışık adsorpsiyonunda pH 2 ve 6'da, sabit tutulan birinci metal iyon derişiminde adsorpsiyon dengesine ulaşıldığında adsorpsiyon ortamına eklenen ikinci metal iyonunun derişimindeki değişimin her bir metal iyonunun adsorpsiyon hız ve verimine ortak etkileri incelenmiştir. Eşanlı adsorpsiyonda elde edilen sonuçlara benzer şekilde her iki pH değerinde de ortamdaki krom(VI) varlığı nikel(II) adsorpsiyonunu artırırken (sinerjik etki), nikel(II) varlığının krom(VI) adsorpsiyonunu azalttığı (antagonistik etki) gözlenmiştir. Örnek olarak pH 2'de, ortamda nikel(II) iyonları bulunmadığı durumda, 200 mg/L başlangıç krom(VI) derişiminde küspe adsorbentin en yüksek krom(VI) adsorpsiyon kapasitesi 62,3 mg/g iken, adsorpsiyon ortamında 200 mg/L nikel(II) iyonlarının tekli adsorpsiyonu dengeye ulaştığında ortama 200 mg/L krom(VI) eklendiğinde küspenin krom(VI) adsorpsiyon kapasitesi 8,4 mg/g'a düşmüştür. Aynı pH'da 200 mg/L tekli nikel(II) adsorpsiyon denge kapasitesi 5,7 mg/g'dan, ortama 200 mg/L krom(VI) eklendiğinde nikel(II) adsorpsiyon kapasitesi pozitif etkilenerek 15,2 mg/g'a çıkmıştır.
Yine pH 2'de, bu sefer ortamda krom(VI) iyonları bulunmadığı durumda, 200 mg/L başlangıç nikel(II) derişiminde küspe adsorbentin en yüksek nikel(II) adsorpsiyon kapasitesi 5,7 mg/g iken, adsorpsiyon ortamında 200 mg/L krom(VI) iyonlarının tekli adsorpsiyonu dengeye ulaştığında ortama 200 mg/L nikel(II) eklendiğinde küspenin nikel(II) adsorpsiyon kapasitesi 10,9 mg/g'a çıkmıştır. Aynı pH'da 200 mg/L tekli krom(VI) adsorpsiyon denge kapasitesi 62,3 mg/g'dan, ortama 200 mg/L nikel(II) eklendiğinde krom(VI) adsorpsiyon kapasitesi negatif etkilenerek 9,3 mg/g'a düşmüştür.
Çalışmaların son kısmında her bir metal iyonunun tekli adsorpsiyonunda adsorpsiyon dengesinin Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon modellerine uyumu araştırılmış ve Langmuir modelinin adsorpsiyon dengesini daha iyi tanımladığı saptanmıştır. Krom(VI) ve nikel(II) ikili karışımların eşanlı ve ardışık adsorpsiyonunda adsorpsiyon dengesi sinerjistik ve antagonistik etkileşimleri birlikte içeren Langmuir modeli  ile tanımlanmış ve model sabitleri bulunmuştur. 
Sonuçlar krom(VI) iyonlarının nikel(II) iyonlarının varlığındaki adsorpsiyonunun ve seçiciliğinin çalışılan her bir metal iyonunun derişimine bağlı olarak önemli derecede azaldığını, pH 2'de karışımdaki krom(VI) adsorpsiyonunun çok daha fazla azaldığını, pH 6'da ise krom(VI) adsorpsiyonundaki azalmanın daha az olduğunu, krom(VI) iyonlarının karışıma eşanlı ya da ardışık eklenmesinin ise adsorpsiyon verimini çok fazla etkilemediğini göstermiştir. Yine deneysel sonuçlar nikel(II) iyonlarının krom(VI) iyonlarının varlığındaki adsorpsiyonunun ve seçiciliğinin çalışılan her bir metal iyonunun derişimine bağlı olarak önemli derecede arttığını, başlangıç pH'ının bu artışta çok etkili olmadığını, nikel(II) iyonlarının karışıma eşanlı ya da ardışık eklenmesinin ise adsorpsiyon verimini çok fazla etkilemediğini göstermiştir.

Abstract:
In this thesis, adsorption of single nickel(II) and single chromium(VI) ions and simultaneous or sequential adsorption of their binary mixtures to sugar beet pulp adsorbent were examined in the batch environment.
In the first part of the thesis study, the single adsorption of each metal ion was examined as a function of the initial pH, adsorbent particle size range and initial metal ion concentration, and the optimal working pH value was determined as 2 for chromium(VI) ions and 6 for nickel(II) ions. It has been observed that the adsorption capacity increased and the adsorption efficiency decreased by increasing the initial metal ion concentration up to 250 mg/L for each metal ion in the 710–850 µm particle size range, which is determined as the most suitable grain size range. The highest chromium(VI) adsorption capacity of dried sugar beet pulp adsorbent was 64,8 mg/g at pH 2, and the highest nickel(II) adsorption capacity was 18,6 mg/g at pH 6.
In the next stage of the studies, at pH 2 and 6, the pH values in which each metal ion is best adsorbed, the dried sugar beet pulp adsorbent simutaneous adsorption of the binary mixtures of chromium (VI) and nickel(II) ions was investigated and the concentration of the other metal ion in the fixed metal ion concentration was changed and the common effects of rate and capacity of the adsorption for each metal ion were examined. It was observed that the presence of chromium(II) ions in the environment at both pH values increased nickel(II) ion adsorption dramaticly (synergistic effect), while the presence of nickel(II) ions significantly reduced chromium(VI) adsorption (antagonistic effect). At pH 2, in the absence of nickel(II) ions in the environment, the highest chromium (VI) adsorption capacity of pulp adsorbent was 64,8 mg/g in 250 mg/L initial chromium(VI) concentration, while this value decreased to 11,9 mg/g when 250 mg/L nickel(II) ion was found in the environment at the same chromimium(VI) initial concentration. Again, when there is no chromium(VI) ions in the environment at pH 2, the highest nickel(II) adsorption capacity of pulpe adsorbent in 250 mg/L initial nickel(II) ion concentration was determined as 6,0 mg/g, while in the same initial nickel(II) ion concentration, this value increased to 18,5 mg/g when 250 mg/L chromium(VI) ion was found in the environment. At pH 6, the highest adsorption capacity was obtained as 14,1 mg/g in single chromium (VI) adsorption decreased to 9,2 mg/g in the presence of 250 mg/L nickel(II). Likewise, the highest adsorption capacity was obtained as 18,6 mg/g in single nickel(II) adsorption increased to 42,0 mg/g in the presence of 250 mg/L chromium(VI).

In the later part of the studies, in the sequential adsorption of chromium (VI) and nickel (II) ions to the dried sugar beet pulp adsorbent, at pH 2 and 6, when the adsorption equilibrium was reached at the first metal ion concentration kept constant, the change in the concentration of the second metal ion added to the adsorption environment affected the adsorption of each metal ion. Their joint effects on speed and efficiency were examined. Similar to the results obtained in simultaneous adsorption, it was observed that the presence of chromium(II) in the environment increased nickel(II) adsorption (synergistic effect) at both pH values, while the presence of nickel(II) decreased chromium(II) adsorption (antagonistic effect). For example, at pH 2, in the absence of nickel(II) ions in the environment, the highest chromium(VI) adsorption capacity of the pulp adsorbent is 62,3 mg/g at an initial chromium(VI) concentration of 200 mg/L, while it is 200 mg/L in the adsorption environment. When the single adsorption of nickel(II) ions reached equilibrium, when 200 mg/L chromium(VI) was added to the environment, the chromium(VI) adsorption capacity of the pulp decreased to 8,4 mg/g. At the same pH, the 200 mg/L single nickel(II) adsorption equilibrium capacity changes from 5,7 mg/g, and when 200 mg/L chromium(VI) is added to the environment, the nickel(II) adsorption capacity is positively affected and increases to 15,2 mg/g. 

Again, at pH 2, this time in the absence of chromium(VI) ions in the environment, the highest nickel(II) adsorption capacity of the pulp adsorbent was 5,7 mg/g at an initial nickel(II) concentration of 200 mg/L, while chromium(VI) concentration was 200 mg/g in the adsorption environment. When the single adsorption of chromium(VI) ions reached equilibrium, the nickel(II) adsorption capacity of the pulp increased to 10,9 mg/g when 200 mg/L nickel(II) was added to the environment. At the same pH, the adsorption equilibrium capacity of 200 mg/L single chromium(VI) was 62,3 mg/g, and when 200 mg/L nickel(II) was added to the environment, the chromium(VI) adsorption capacity was negatively affected and decreased to 9,3 mg/g. 

In the last part of the studies, the compatibility of the adsorption equilibrium with the Langmuir and Freundlich adsorption models in the single adsorption of each metal ion was investigated and it was determined that the Langmuir model describes the adsorption equilibrium better. In the simultaneous and sequential adsorption of chromium(VI) and nickel(II) binary mixtures, the adsorption equilibrium was defined by the Langmuir model, which includes synergistic and antagonistic interactions, and the model constants were found.

The results showed that the adsorption and selectivity of chromium(VI) ions in the presence of nickel(II) ions decreased significantly depending on the concentration of each metal ion studied, that at pH 2, the adsorption of chromium(VI) in the mixture decreased much more, and at pH 6, chromium(VI) adsorption decreased significantly depending on the concentration of each metal ion studied. It was observed that the decrease in adsorption was less, and simultaneous or sequential addition of chromium(VI) ions to the mixture did not affect the adsorption efficiency much. Again, experimental results show that the adsorption and selectivity of nickel(II) ions in the presence of chromium(VI) ions increases significantly depending on the concentration of each metal ion studied, that the initial pH is not very effective in this increase, and that the simultaneous or sequential addition of nickel(II) ions to the mixture increases significantly. It was shown that it did not affect the adsorption efficiency much.