Naftalinin sulu çözeltilerden aktif karbon ve fenton reaktifi kullanarak giderimi
Removal of naphthalene from aqueous solutions using activated carbon and fenton?s reagent
Yazar: OLTAN CANLI
Danışman: DOÇ. DR. ERHAN DEMİRBAŞ
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya = Chemistry ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Fenton reaksiyonu = Fenton reaction ; Naftalin = Naphthalene ; Tepki yüzeyleri = Response surfaces

Özet:
Polisiklik aromatik hidrokarbonlar genellikle karbon malzemelerin tamamlanmamış yanmasının yan ürünleri olarak çevreye dağılırlar. PAH'lar kalıcı organik kirleticiler olup, bu sebeple tüm çevresel ortamlarda birikme eğilimindedirler. Diğer PAH'larla karşılaştırıldığında naftalin daha az toksik olup çevrede kolayca bulunabilir. Bu sebeple naftalin, bu doktora tezinde sulu çözeltilerden PAH'ların uzaklaştırılmasını incelemek için bir model bileşik olarak kullanılmıştır. Bu tez çalışmasının başlıca dört amacı vardır; (i) sulu çözeltiden naftalinin hindistan cevizi kabuğu kökenli aktif karbonda (AK) kesikli sistem adsorpsiyon karakteristiklerinin değerlendirilmesi; (ii) naftalinin maksimum giderimi için yanıt yüzey metodu (YYM) ile adsorpsiyon prosesinin optimizasyonu; (iii) naftalinin giderimi için sabit yataklı kolon adsorpsiyon sisteminin incelenmesi ve (iv) sulu ortamdaki naftalinin Fenton reaktifi ile oksidatif parçalanması.Sulu çözeltilerden naftalinin AK'a adsorpsiyon karakteristikleri çalışılmıştır. Naftalin adsorpsiyonunda başlangıç konsantrasyonu, adsorbent partikül büyüklüğü, karıştırma süresi ve adsorbent dozajı gibi parametrelerin etkilerini incelemek için kesikli adsorpsiyon çalışmaları düzenlenmiştir. Kinetik veriler yalancı birinci mertebe, yalancı ikinci mertebe ve intrapartikül difüzyon eşitlikleri kullanarak analiz edilmiştir. Deneysel veriler yalancı ikinci mertebeden kinetik modelle çok iyi uyuşmuştur. Denge verileri Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon izoterm modelleri ile analiz edilmiştir. Adsorpsiyon izoterm dataları Langmuir izotermi ile iyi uyuşmuştur ve 20 oC'de tek tabaka adsorpsiyon kapasitesinin 15.60 mg/g olduğu bulunmuştur.En önemli üç adsorpsiyon proses operasyon değişkeninin interaktif etkilerini değerlendirmek için adsorpsiyon deneylerini tasarlamada yanıt yüzey metodolojisi (YYM) kullanılmıştır: adsorbent dozajı (1.0-3.0 g/L), karıştırma süresi (10.0-25.0 min) ve başlangıç naftalin konsantrasyonu (10.0-30.0 mg/L). Bir 23 tam faktöriyel merkezi bileşik dizayn, adsorpsiyon prosesi sonuçlarının tahmini ve analizi için başarılı bir şekilde çalışmıştır. 10 mg/L başlangıç konsantrasyonu, 25 dak adsorpsiyon zamanı ve 3 g/L karbon dozajı sulu çözeltilerden naftalinin maksimum giderimi için optimum şartlar olduğu bulunmuştur (%97.8). Quadratik modelin uyuşmazlık analizi modelin oldukça önemli olduğunu göstermiştir (qt için R2=0.970, ayarlanmış R2=0.766 ve % Re için R2= 0.989, ayarlanmış R2= 0.917).Sulu çözeltiden naftalinin uzaklaştırılması için AK içeren sabit yataklı kolon çalışması gerçekleştirilmiştir. Kırılma eğrisi elde edilmiştir ve kolon çalışması için kapasite değeri grafiksel entegrasyonla hesaplanmıştır. Thomas, Clark ve Yoon-Nelson modelleri kırılma eğrileri deneysel verilere uygulanmıştır.Sulu çözeltideki naftalinin Fenton oksidasyon prosesini etkileyen faktörleri optimize etmek için bir laboratuvar çalışması tasarlanmıştır: Farklı pH'lar, H2O2 ve Fe2+ konsantrasyonları, farklı demir tuzları (Fe2+, Fe3+) ve başlangıç naftalin konsantrasyonları. Çalışılan pH aralığında, pH sonuçları önemli ölçüde etkilemiştir. Demir(II) iyonu konsantrasyonunda 10-5 mol/L'den 5x10-4 mol/L'ye bir artış giderim etkinliğini %50'den %100'e arttırmıştır. Giderim prosesi esnasında peroksit konsantrasyonundaki değişim önemli bir rol oynamıştır. Bu doktora tez çalışması su ortamındaki naftalinin parçalanması için Fenton reaktifinin geçerli bir proses olduğunu ispat etmiştir.

Abstract:
Polycyclic aromatic hydrocarbons ( PAHs ) commonly enter the environment as by-products of the incomplete combustion of carbonaceous materials. PAHs are persistent organic pollutants, so they tend to accumulate in all environmental mediums. Compared with other PAHs, naphthalene has less toxicity and is easily found in the environment. Thus, naphthalene has been used as a model compound to examine removal of PAHs from aqueous solutions in this doctorate thesis. The thesis study has four main objectives; (i) evaluation of the batch adsorption characterictics of naphthalene from aqueous solutions on cocunut husk activated carbon (AC); (ii) optimization of adsorption process for maximum removal of naphthalene by response surface methodology (RSM); (iii) investigation of naphthalene removal using fixed bed column adsorption system and (iv) oxidative destruction of naphthalene in aqueous media by Fenton's reagent.The adsorption characteristics of naphthalene from aqueous solutions on AC have been worked. Batch adsorption studies has been arranged to investigate the effects of various parameters such as initial concentration, adsorbent particle size, agitation time and adsorbent dosage on naphthalene adsorption. The kinetic data have been analyzed using a pseudo first-order, pseudo second-order and intraparticle diffusion equations. The experimental data have fitted very well the pseudo second-order kinetic model. The equilibrium data have been analyzed by the Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models. The adsorption isotherm data have been fitted well to Langmuir isotherm and the monolayer adsorption capacity has been found to be 15.60 mg/g at 20 ?C.Response surface methodology (RSM) has been used to design the adsorption experiments to evaluate the interactive effects of three most important operating variables: adsorbent dosage (1.0-3.0 g/L), agitation time (10.0-25.0 min) and initial naphthalene concentration (10.0-30.0 mg/L). A 23 full factorial central composite design, estimation and analysis of the results for the adsorption process successfully worked. An initial concentration of 10 mg/L, adsorption time of 25 min and carbon dosage of 3 g/L have been found to be the optimum conditions for the maximum removal of naphthalene from aqueous solutions (97.8%). Analysis of variance of the quadratic model has showed that the model is highly significant (R2= 0.970, adjusted R2= 0.766 for qt and R2= 0.989, adjusted R2= 0.917 for Re%).A fixed bed column containing AC has been carried out for the removal of naphthalene from aqueous solutions. The breakthrough curve has been obtained and the capacity value for column study has been calculated by graphical integration. The Thomas, the Clark and the Yoon-Nelson models have been applied to experimental data from the breakthrough curves.A laboratory study has been designed to optimize the factors which may influence the Fenton oxidation process of naphthalene in aqueous solution: different value of pH (2-6), H2O2 (5x10-5-10-3 mol/L) and Fe2+ concentrations (10-5-5x10-4 mol/L), iron salts (Fe2+, Fe3+) and the initial naphthalene concentrations (5-20 mg/L). The pH has influenced significantly the results in the pH range worked. An increase in ferrous ion concentration from 10-5 mol/L to 5x10-4 mol/L has improved the removal efficiency from 50% to 100%. The variation of peroxide concentration has played a important role during the degradation process. This doctorate thesis study has proved that the degradation of naphthalene in water medium by Fenton?s reagent is a viable process.