İyon değiştirici reçine ile atık sulardan demir geri kazanımı
Iron recovery from wastewaters by using ion exchange resins
Yazar: EMİNE ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Endüstriyelleşmenin gelişmesi ve dünya nüfusunun artmasıyla birlikte üretimde ve tüketimde artış ve beraberinde en temel ihtiyaçlarımızdan olan hava, su ve topraklarımızın kirliliğini getirmiştir. Oluşan bu kirlilikle toksik maddeler oluşmakta, canlılar ve ekosistem için zararlı etkileri olmaktadır. Endüstriyel ve evsel atık sularının temizlenerek tekrar kullanımının sağlanması ile ekosistem döngüsüne kazandırılması, içerisinde insan ve canlıların sağlığına etki edecek zararlı toksik maddelerin uzaklaştırılması, değerli metallerin geri kazanımı çalışmaları endüstriyelleşmenin gelişmesi, nüfus artışı ve iklim değişikliğiyle birlikte hayatımıza girmiştir. Yeni endüstriyel teknolojilerin hızla kullanıma girmesi, oluşan atık suların içeriklerini de her geçen gün değiştirmektedir. Doğanın dengesinin korunabilmesi için, atık suların geri kazanımı, bu işlemin verimi ve kalan atıkların uygun bir şekilde bertaraf edilmesi gerekmektedir. Günlük çeşitli endüstriyel, evsel ve tarımsal faaliyetler sonucu oluşan kirleticiler içerisindeki ağır metaller toprağa ve suya karışırlar. Sulardaki ağır metallerin sulu ortamlarda yüksek çözünürlükleri ve biyolojik olarak bozunmamaları canlılar için her geçen gün ciddi risk oluşturmaktadır. 
Endüstriyel atık sulardan ağır metallerin uzaklaştırılması üzerine yeni ileri teknolojik çalışmalar uzun bir süredir devam etmektedir. Son yıllarda iyon değiştirici reçineler kullanılarak adsorpsiyon teknikleri ile ağır ve değerli metallerin uzaklaştırılması üzerine çalışılmaktadır. 
Adsorpsiyon tekniğinin ekonomik olması, uygulanabilirliğinin basit ve kolay olması, adsorban olarak kullanılan reçinelerin birden fazla kullanılabilme özelliği, çevre dostu olması ve yüksek kalitede katma değerli ürünlerin elde edilmesi nedeniyle önem kazanmaktadır.
Bu tez çalışmasında, endüstriyel atık suyundan iyon değiştirici reçine kullanılarak canlıların sağlığı ve hayatı için riskli olan demir metalinin geri kazanım performansı incelenmiştir. Katı adsorban olan reçineyle, kullanılan çözeltinin adsorpsiyon hız ve denge ilişkileri incelenmiş, deneysel veriler izotermler aracılığı ile araştırılmıştır. 
Bu çalışma için daha önce yapılmış literatür çalışmaları araştırılmış ve yorumlanmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, adsorpsiyon teknolojileri, adsorpsiyon tarihçesi, adsorpsiyon türleri, adsorbanların sınıflandırılması ve atık su özellikleri detayları ile açıklanmıştır. Kirleticilerin uzaklaştırılmasında adsorpsiyon tekniklerinin önemi açıklanmıştır.
Çalışmanın ikinci kısmında adsorpsiyon izoterm modelleri, adsorpsiyon kinetiği, adsorpsiyon termodinamiği ve adsorpsiyona etki eden faktörler teorik olarak açıklanmıştır.
Çalışmalarda kullanacak olduğumuz reçine (Lewatit Monoplus TP 209 XL) ile standard demir (Fe) çözeltisi kullanılarak deney için en uygun olan pH değeri tespiti gerçekleştirilmiştir. Ardından standard demir çözeltisi kullanılarak adsorpsiyon için en uygun sıcaklık, zaman ve adsorban miktarı incelenmiştir. Ardından orijinal atık su çözeltisi ile iyon değiştirici reçine kullanılarak atık suyundan demirin geri kazanımı incelenmiştir. Böylece, atık sularından demirin geri kazanımının hangi şartlarda maksimum seviyeye ulaşılacağı tespit edilmiştir. Langmuir ve Freundlich izotermleri kullanılarak hesaplamalar yapılmış, ayrıca, elde edilen verilere göre birinci ve ikinci dereceden kinetik denklemleri aracılığıyla kinetik çalışma da yapılmıştır. Standard Fe çözeltisi ile yapılan çalışmaların sonucuna göre elde edilen optimum şartlara göre KUYAŞ'tan (Kuyumcukent Gayrimenkul Yatırımları A.Ş) temin edilen gerçek atık su çözeltisi kullanılarak adsorbanın adsorpsiyon performansı belirlenmek üzere deney yapılmıştır.
Son olarak reçine ile demir giderimi ile ilgili yapılan deneysel çalışmalardan ve sonuçlarından bahsedilmiştir.

Abstract:
The increase in both production and consumption with development of industrialization and increase of world population has caused the pollution of air, water and soil which are most basic needs of human. Toxix substances are formed with this pollution and have harmful effects for living organism and ecosystem. Cleaning and reuse of industrial and domestic waste water, bringing it into the ecosystem cycle, removing harmful toxic substances that will affect the health of people and living organism, with the development of industrialization, population growth and climatic change, recovery of precious metals take part of our lives. 
The rapid introduction of new industrial technologies is changing the contents of the generated waste water consistently. The importance to recover the waste water in an efficient way or discharge of waste water by treating, is to protect the nature.
Waters are rapidly polluted as a result of various activities. Especially the wastes generated as a result of industrial activities rapidly pollute our waters and pose a threat to the life of all livings, especially human health. Lead, cadmium, mercury and arsenic take the first place among the heavy metals that are discharged as a result of industrial activities and pollute water and soil due to their toxic properties. It is followed by copper, zinc, chromium, iron, selenium, antimony and manganese metals, respectively.
Today, the protection of water resources, activities to reduce industrial waste water, activities for the recovery of water and valuable substances continue without slowing down and gain importance. For this purpose, ion exchange resin applications that provide commercial recovery of heavy metals from industrial waste water are gaining importance.
Heavy metals in pollutants formed as a result of daily various industrial, domestic and agricultural activities mix with soil and water. The high solubility and non-biodegradation of heavy metals in water are being serious risks for living organism in both now and future. Heavy metals have become a major issue due to their very high potential risk on human. Despite some of heavy metals are essential for vital functions, higher concentrations have various toxic effects.
The iron metal is one of the heavy metals which dissolves in water, goes into soil via water and mixes into human body in various ways, causes harm to organs and poisoning by high concentration in blood. Very high concentration of iron metal could be caused deaths.
Iron is a widely used metal because of its reasonable price and strength. Ecologically, it is an important problem for all livings due to its high toxicity above certain concentrations. High concentrations of iron in water and domestic water supplies cause turbidity and unpleasant taste and odour. In addition, iron causes problems in distribution systems, as it helps the growth of bacteria and clogs pipes. 
The steel and iron industries, metal plating, mining and metal corrosion industries, among others are potential sources of environmental pollution in terms of metal ions and iron in general.
There are many chemical and physical techniques commonly applied for the removal of heavy metals from waste water. Some of these methods are precipitation, reduction, oxidation, membrane filtration, ion exchange, electrochemical technics, adsorption and biological process.
Even though these methods are commonly used for purification of waste water, they do not have enough effect on some process due to high investment and equipment cost, production of huge volume of sludge, requirement of high energy for disposal and incomplete metal removal.
Adsorption process is differ from other purification technologies due to the fact that it is most suitable technique, especially for purification of waste water from heavy metals. Several solids are used as adsorbents for the removal of heavy metals such as biomass, activated carbons, fishbone, zeolites, clays, etc. 
New advanced technological studies for the recovery of heavy metals from the industrial wastes have been kept on. Recently, it has been studied on the removal of heavy and precious metals by adsorption techniques using ion exchange resins.
The adsorption technique is getting importance due to fact that it is economical, applicability is simple and easy, the resins are reusable, it is environmentally friendly and highquality value-added products are obtained.
The aim of this study is to examine the effectiveness of removing iron metal, which is one of the heavy metals found in industiral waste water and pose a risk to the health and life of livings. Using of the adsorption process and ion exchange resin, effects of temperature, pH, amount of adsorbate, amount of adsorbent and adsorption time optimum conditions is examined. The conditions in which the maximum efficiency was obtained were tried to be determined. The adsorption rate and equilibrium relations of the solid adsorbent resin and the solution used were investigated and experimental data were investigated through isotherms.
In this thesis study, the recovery performance of ferrous metal, which is risky for the health and life of living organism, was investigated by using ion exchange resin from industrial wastewater. Equilibrium and kinetic rate relationships of solid adsorbent resin and adsorption from solution were investigated and the compatibility of certain isotherms with experimental data was investigated.
For this study, previous literature studies were investigated. Firstly, adsorption technologies, adsorption history, adsorption types, classification of adsorbents and waste water properties are explained in detail. The importance of adsorption techniques in the removal of pollutants is expressed.
Then, adsorption isotherm models, adsorption kinetics, adsorption thermodynamics and factors affecting adsorption are explained theoretically.
The most suitable pH value for the experiment was determined by using standard iron (Fe) solution with the resin (Lewatit Monoplus TP 209 XL) that we use in the studies. Then, the optimum time, temperature and adsorbent amount were investigated using standard iron solution.
Then, the recovery of iron from the waste water was investigated by using the original waste water solution and ion exchange resin. Thus, it was determined that under which conditions the recovery of iron from waste water will reach the maximum level.
Langmuir and Freundlich isotherms were used to draw curves for adsorption processes. In addition, at the end of the experiments, first and second order kinetic equations were given and adsorption kinetics were investigated. According to the optimum conditions were obtained by studies performed with standard Fe solution, an experiment was conducted to determine the adsorption performance of Fe by using waste solution supplied from KUYAŞ (Kuyumcukent Gayrimenkul Yatırırımları A.Ş.). 
Finally, the experimental studies on iron removal with resin and their results are mentioned.