Sulardan ağır metallerin uzaklaştırılmasında fındık kabuğu kullanımının model sistemler ile araştırılması
Study of removal of heavy metals from aqueous solutions by utilizing hazelnut shell in model systems
Yazar: EVREN GÖLGE
Danışman: PROF. DR. GÜLDEN OVA
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Son yıllarda ucuz maliyetli adsorbant maddelerin atık sulardan ağır metallerin gideriminde konvansiyonel metotların yerine kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu araştırmada yüksek toksisiteye sahip Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 ağır metal iyonlarının sulardan uzaklaştırılmasında ülkemizde yüksek miktarda atık ürün olarak açığa çıkan fındık kabuğunun adsorbant olarak kullanımının model sistemler ile araştırılması amaçlanmıştır.Çalışmada fındık kabuğu işlem görmeden ve ayrıca sitrik asit, tartarik asit ve sodyum hidroksit ile modifiye edilerek kullanılmış; en iyi metal iyonu gideriminin sodyum hidroksit ile işlem görmüş fındık kabuğu ile sağlandığı saptanmıştır. Araştırmada kesikli sistem ile yapılan denemelerde Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 metal iyonları için partikül büyüklüğünün artmasıyla çözeltiden metal iyonu gideriminin azaldığı saptanmıştır. Adsorbant konsantrasyonu 5 g/l'den 20 g/l'ye arttırıldığında metal iyonu gideriminin Pb+2 için 31.95 mg/g'dan 9.12 mg/g'a düştüğü, Ni+2 için 19.10 mg/g'dan 4.28 mg/g'a ve Cd+2 için 9.12 mg/g'dan 7.54 mg/g'a düştüğü saptanmıştır. Bir diğer değişken olarak çözeltideki başlangıç metal iyonu konsantrasyonunun 50 mg/l'den 200 mg/l'ye artmasıyla Pb+2 gideriminin 18.45 mg/g'dan 41.63 mg/g'a, Ni+2 gideriminin 4,84 mg/g'dan 16.04 mg/g'a ve Cd+2 gideriminin 8.95 mg/g'dan 25.47 mg/g'a arttığı gözlenmiştir. Elde edilen bulgulara göre Langmuir ve Freundlich modellerinden elde edilen korrelasyon katsayıları karşılaştırıldığı zaman Langmuir modelinin adsorbsiyon karakterini belirlemek açısından deneysel veriye daha iyi uyum gösterdiği saptanmıştır. Çalışmada kullanılan metal iyonları için kesikli sistemde farklı işlem koşullarındaki en iyi adsorbsiyon kapasitesi pH 6 değerinde ve 60°C sıcaklıkta Pb+2 için 20.88 mg/g, Ni+2 için 6.31 mg/g ve Cd+2 için 8.96 mg/g olarak hesaplanmıştır. Fındık kabuğunun her üç metal iyonunu için de gideriminde gerçekleşen adsorbsiyon prosesinin endotermik, istemli ve rastgele olduğu belirlenmiştir.Kolon çalışmalarında ise Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 iyonları için kolon yatak yüksekliği, akış hızı ve başlangıç metal konsantrasyonu gibi parametreler değiştirilerek denemeler yürütülmüştür. Elde edilen bulgular, kolon yatak derinliğinin arttırılmasıyla birlikte kolonun adsorbsiyon performansının azaldığını, akış hızının azalmasıyla birlikte kolonun adsorbsiyon performansının arttığını, kolona giren metal iyonu konsantrasyonunun azalmasıyla kolonun metal giderim performansının arttığını göstermektedir. Deneysel verilerin analizinde Yatak Derinliği Hizmet Süresi (BDST) ve Thomas modelleri kullanılmıştır. BDST modeli için hesaplanan adsorbsiyon kapasitesini belirten N0 katsayıları 10 ml/dakika akış hızında ve 200 mg/l başlangıç metal iyonu konsantrasyonu kullanıldığında Pb+2 için 3894 mg/l, Ni+2 için 2266 mg/l ve Cd+2 için 3540 mg/l olarak bulunmuştur. Thomas modeli için 5 cm yatak derinliğinde, 10 ml/dakika akış hızında ve 200 mg/l başlangıç metal iyonu konsantrasyonu kullanıldığında adsorbsiyon kapasitesini gösteren Thomas katsayısı (Q0) Pb+2 için 25.72 mg/g, Ni+2 için 16.63 mg/g ve Cd+2 için 18.52 mg/g olarak hesaplanmıştır.Bu çalışma sonucunda atık sulardan Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 metal iyonlarının fındık kabuğu kullanılarak giderimi amacıyla uygulanan modeller vasıtasıyla endüstriyel büyüklükte kesikli veya sürekli sistem geliştirilmesi imkanı olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
In the recent years the use of low cost adsorbents become prevalent as a replacement for conventional methods for removing heavy metal ions from wastewater. The scope of this study is to investigate the adsorption of Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 heavy metal ions, which have high toxicity, from aqueous solution in model systems by utilizing one of the most emerging waste material of our country hazelnut shells as an adsorbent.In this study hazelnut shells were modified by tartaric acid, citric acid and sodium hydroxide, it was revealed that the best metal ion removal achieved by sodium hydroxide modified hazelnut shells. In the batch experiments for Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 metal ions as the particle size of the adsorbent increased the metal ion removal from solution decreased. As adsorbent concentration was increased from 5 g/l to 20 g/l, the metal ion removal for Pb+2 decreased from 31,95 to 9,12 mg/g?a, for Ni+2 from 19,10 mg/g to 4,28 mg/g and for Cd+2 from 9,12 mg/g to 7,54 mg/g. As one of the other variables, the initial metal ion concentration of the solution was increased from 50 mg/l to 200 mg/l, it was observed that the removal of Pb+2 ion increased from 18,45 mg/g to 41,63 mg/g, Ni+2 removal from 4,84 mg/g to 16,04 mg/g and Cd+2 removal from 8,95 mg/g to 25,47 mg/g. According to the data when the correlation coefficients of Langmuir ve Freundlich models were compared, Langmuir model was found to have a better fit to the experimental data to explain the adsorbtion characteristics. The most favorable adsorption conditions for the metal ions used were achieved at pH 6 and 60°C and calculated for Pb+2 as 20.88 mg/g, Ni+2 as 6.31 mg/g and Cd+2 as 8.96 mg/g. The results indicated that the adsorption process is endothermic, has increased randomness and spontaneous in nature.In column studies the experiments were performed by changing the parameters such as; the bed height, flow rate and initial metal concentration.The data obtained showed, as bed depth increases the adsorbtion capacity of the column decreases, as the flow rate decreases the adsorbtion capacity of the column increased and as the metal concentration fed to the column decreases the metal removal performance of the column increases. The column data obtained were described using Bed Depth Service Time (BDST) and Thomas models. For BDST the N0 coefficient showing sorption capacity per unit bed volume was computed for Pb+2 as 3894 mg/l, Ni+2 as 2266 mg/l and Cd+2 as 3540 mg/l when 10 ml/min flow rate and 200 mg/l initial metal concentration was used. For Thomas model the calculated coefficient Q0 showing the adsorbtion capacity was computed for Pb+2 as 25.72 mg/g, Ni+2 as 16.63 mg/g and Cd+2 as 18.52 mg/g when 5 cm bed depth, 10 ml/min flow rate and 200 mg/l initial metal concentration was used in the column.In result of this study the possibility of the development of a batch or continuous system in industrial scale, aiming the removal of Pb+2, Ni+2 ve Cd+2 metal ions via models from wastewater by utilizing hazelnut shell was introduced.