Demir ve alüminyum oksitlerle yüzey özellikleri geliştirilen zeolitler ile arsenik adsoprsiyonunun incelenmesi
An investigation of arsenic adsoorption using zeolites improved surface properties by doping iron and aluminum oxides
Yazar: ESRA BİLGİN ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. ÜLKER BEKER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Arsenik = Arsenic ; Demir oksit = Iron oxide ; Zeolitler = Zeolites

Özet:
Endüstrinin hızla gelişmesi ile birlikte oluşan atık sular yer altı ve yer üstü sularını hızla kirlettiğinden dünya ciddi bir su krizi ile karĢı karĢıyadır. Endüstriyel atık sular; metaloidler, klorofenoller, ağır metaller, benzen, naftalin, sülfonlar gibi çevre ve insan sağlığı için toksik etki gösteren kirlilikler içermektedir. Ayrıca, doğal içme suyu kaynakları da tüm canlıların sağlığını tehdit eden derişimlerde çeşitli maddeler bulundurmaktadır. Bu kirliliklerin
giderilmesi; kimyasal çöktürme, koagülasyon, kompleks oluşturma, iyon değişimi, ekstraksiyon, biyolojik yöntemler ve adsorpsiyon gibi değişik yöntemleri gerektirir. İyon değişimi ve adsorpsiyon yöntemi, işlemin kolaylığı, maliyet ve enerji gereksiniminin az olması, çok düşük derişimlerde dahi etkili giderim sağlaması nedenleriyle en çok tercih
edilenidir. Bu yöntemin etkinliği kullanılan adsorbanın kapasitesi ve özelliklerine bağlıdır.

Doğal zeolitler; katyon değişimi, moleküler elek ve sorpsiyon gibi çeşitli fizikokimyasal özelliğe sahip gözenekli alüminasilikatlardır. Sularda kirlilik oluşturan katyon, anyon ve organik bileşiklerin giderilmesinde doğal ve modifiye zeolitler kullanılmaktadır. Zeolitlerin metal oksitlerle modifikasyonu son yıllarda gittikçe önem kazanmıştır. Su arıtım sistemleri için geliştirilmiş nanoboyutlu metal oksitler; Fe3O4 (manyetit), γ-Fe2O3 (maghemit), Fe (III) ve Fe(II) oksit grupları ve Al (oxi)hidroksitler yapısal özelliklerine göre ağır metallerin ve metalloidlerin giderilmesinde yüksek performans göstermektedirler.

Manyetik olarak aktive edilmiş adsorbanlar; metallere olan ilgileri, oksidasyona karşı dirençleri, yüksek yüzey alanı, hızlı kinetik ve organik maddelerden etkilenmeme gibi özellikleri nedeniyle suların arıtımında önemlidir. Metal oksitlerin güçlü oksitleme, redoks seçiciliği, yüksek foto-kararlılık, kolay ayırma ve yüksek çekicilik –özellikle arseniğe karşı- gibi özellikleriyle su arıtım işlemlerinde kullanılmaktadırlar. Bunun yanısıra Al(oxi)hidroksitler; doğada her yerde bulunabilen ve reaktif olan, yüksek yüzey alanına ve yük yoğunluğuna böylelikle yüksek yüzey reaktivitesine sahiptirler. Çalışmada yüksek afiniteye sahip Fe (hidro)oksitler ve kimyasal kararlılığa sahip Al (oxi)hidroksitlerin kombinasyonu ile sulardan arsenik giderilmesine yönelik bir çözüm sunulmuştur.

Çalışmada, doğal zeolit metal oksit partikülleri ile modifiye edilerek hibrit adsorbanlar sentezlenmiş ve arsenik giderim kapasiteleri incelenmiştir. Bu kapsamda çalışma: (i) metal (oxi)hidroksitlerin zeolit üzerine yüklenmesi, (ii) üretilen adsorbanların karakterizasyonu, (iii) doğal ve modifiye zeolitlerin arsenik adsorpsiyon potansiyelinin değerlendirilmesi, (iv) proses parametrelerinin etkisinin incelenmesi ve deneysel modellemelerin yapılması ve (v)rejenerasyon çalışmaları aşamalarından oluşmaktadır.

Abstract:
Nowadays, the world is facing water crisis due to lacking of clean drinking water. With the fast development of various industries, a huge quantity of wastewater has been produced from industrial processes and was discharged into water systems. Wastewater usually contains many pollutants such as metalloids, benzene, naphthalene, sulfonates, heavy metals which have poisonous and toxic effects on ecosystems. Removal of these contaminants requires cost effective technologies. Many processes have been developed for the removal of heavy metal ions from aqueous media, including chemical precipitation, coagulation, complexions, ion exchange, solvent extraction, biological methods and adsorption. Currently, adsorption and ion exchange is believed to be a simple and effective technique for water and wastewater
treatment and the success of the technique largely depends on the development of an efficient adsorbent.

Natural zeolites are hydrated aluminosilicate minerals of a porous structure with valuable physicochemical properties, such as cation exchange, molecular sieving, catalysis and sorption. Natural zeolite and its modified forms have also been reported for removal of anions and organics from water systems. Modifiying zeolites with metal oxides have gained
importance in recent years. Nanosized metal oxides, improved for water treatment, Fe3O4 (magnetite), γ-Fe2O3 (maghemite), Fe(III) and Fe(II) oxide groups, Al (oxy)hydroxides (AlOOH) show high performance due to their properties.
Magnetic separation technique has been shown to be a very promising method due to their extremely small size and high surface-area-to volume ratio and providing better kinetics for the adsorption. 

Magnetically activated adsorbents are excellent candidates for combining metal binding, selective adsorption properties. Strong oxidizing power of the holes, redox selectivity, high photo-stability, easy preparation and high affinity -especially to arsenic- make metallic oxides good candidate for environmental remediation. Furthermore; Al(oxy)hydroxides are ubiquitous in nature and reactive, have high specific surface area and charge density, and the resultant high surface reactivity. The association of these oxides, higher binding affinity of Fe (hydr)oxides, the higher stability of Al (oxy)hydroxides, can be an advantageous alternative for removing arsenic from aqueous solution.

In the present study, natural zeolite was modified with metal oxide particles and arsenic removal capacities of hybrıd adsorbents were investigated. For this reason the study include following sections: (i) the immobilization of the synthesized metal (oxy)hydroxides on zeolite (ii) characterization of the synthesized adsorbents (iii) evaluation of adsorption potential of natural and modified zeolites, (iv) examination the influence of process parameters and modelling experimental design (v) regeneration studies.