Atıksulardan kadmiyum gideriminin destekli sıvı membran-elektrodiyaliz hibrit sisteminde araştırılması
Investigation of cadmium removal from wastewater using supported liquid membrane-electrodialysis hybrid system
Yazar: BETÜL TUBA GEMİCİ
Danışman: DOÇ. DR. SÜREYYA ALTIN
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Elektrodiyaliz = Electrodialysis ; Kadmiyum = Cadmium

Özet:
Yaşadığımız çevrede ağır metal seviyelerinin artması insan sağlığı, doğal kaynaklar ve ekolojik sistemler için önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Toksik etki gösteren ağır metaller, suda düşük derişimlerde bile insan sağlığına zarar vermekte, hatta ölümlere yol açabilmektedir. Sulu ortamlardan ağır metal uzaklaştırılmasının iki ana nedeni vardır. Bunlardan birincisi toksisitenin azaltılması, diğeri ise ekonomik değeri olan metallerin geri kazanımıdır. Son yıllarda özellikle seyreltik çözeltilerden kadmiyumun giderilmesinde elektrodiyaliz (ED) ve destekli sıvı membran (DSM) sistemlerinin kullanılması diğer yöntemlere göre daha fazla ilgi görmektedir. Her iki sisteminde avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. İyon seçici membranlar kullanılarak dizayn edilen ED sistemleri verimli bir şekilde katyon taşınımını gerçekleştirebilir, ancak ayırmanın sonlarına doğru seyreltik çözeltinin bulunduğu bölmede, iyonların derişik çözelti bölmesine hareketi ile elektriksel iletkenlik azalmaktadır. Bu nedenle ED hücresinin elektriksel direncinin artmasıyla, sistemin enerji ihtiyacı da artmaktadır. Ayrıca, elektrodiyalizin kimyasal iyon seçiciliği sıvı membranlara oranla daha düşüktür. DSM sistemleri ise içerdikleri taşıyıcılar ile giderilmesi istenilen iyonu yüksek seçicilik ve düşük enerji kullanımı ile ayırmaktadır. Sistemin en önemli dezavantajı membran kararlılığının düşük olması ve sıyırma çözeltisinde metalin istenilen oranda biriktirilememesidir. Bu çalışmada DSM sisteminin yüksek iyon seçiciliği ED sisteminin ise iyonları konsantre edebilme özelliğinden faydalanarak iki sistemin bir arada kullanılması ile tekli sistemde meydana gelen dezavantajların giderilmesi ve ayırma veriminin arttırılması amaçlanmıştır. Çalışmalarda düşük derişimlerde dahi yüksek toksik etki gösteren Cd(II) kullanılmıştır. Üç aşamada gerçekleştirilen çalışmada ilk olarak Cd(II) için DSM optimizasyonu yapılmıştır.  Destekli sıvı membranda sıyırma çözeltisi türü, sıyırma çözeltisi derişimi, besleme çözeltisi pH'ı, besleme çözeltisi asit derişimi, başlangıç metal derişimi, akış hızı ve taşıyıcı derişimi parametreleri incelenmiştir. İkinci aşamada ED sistemi için akış hızı, başlangıç derişim, pH, uygulanan voltaj ve elektrolit çözelti derişimi parametreleri için optimize değerler belirlenmiştir. Son aşamada DSM ve ED prosesleri birlikte çalıştırılmıştır. Yapılan çalışmalarda DSM için en iyi Cd(II) giderimine 0.01 M HCl sıyırma çözeltisi derişimi, 2 M HCl'de 75 mg/L Cd(II) derişimi, pH=3, 80 mL/dk. akış hızı ve 0.05 M Toluen-Aliquat336 membran çözeltisi değerlerinde ulaşılmıştır. ED sisteminde optimum koşullar akış hızı 200 mL/dk., başlangıç Cd(II) derişimi 5 mg/L, uygulanan voltaj 45 V, pH= 6, elektrolit çözelti derişimi 0.1 M NaCl değerlerinde elde edilmiştir. Hibrit sistem oluşturularak yapılan çalışmalarda ise en iyi giderim DSM bölümünde 100 mg/L başlangıç Cd(II) derişimi, 2 M HCl besleme çözeltisi asit derişimi ve 0.1 M Toluen/Aliquat336 membran çözeltisi derişimi değerinde, ED bölümünde ise akış hızı 200 mL/dk. ve uygulanan voltaj 45 Volt değerinde elde edilmiş ve optimum giderim verimi %70.99 olarak belirlenmiştir. Hibrit sistem ile sıyırma çözeltisi ED prosesinden sürekli geçirilerek Cd(II) derişimi azaltılmış ve DSM için sınırlayıcı bir işletme parametresi olan sıyırma çözeltisinde derişimin artması önlenmiştir. Ayrıca ED prosesinin düşük derişimlerde metal ayırma özelliği ile Cd(II) konsantre edilmiştir. Sonuç olarak hibrit sistem ile DSM sistemi ED sistemi ile desteklenerek iki sistemin verimli bir şekilde kullanımı gerçekleştirilmiş ve ayırma verimi arttırılmıştır.

Abstract:
In the enviroment we live in, increased levels of heavy metals is a major threat to human health, natural resources and ecological systems. Even at low concentration in water, toxic heavy metals can cause damage to human health and may even lead to death. There are two main reasons for removal of heavy metals from aqueous environment. The first is reduction of toxicity, other one is recovery of valuable metals. In recent years, especially in the removal of cadmium from dilute solutions use of electrodialysis (ED) and supported liquid membrane (SLM) systems sees more interest than other methods. Both systems have advantages and disadvantages.  ED systems that designed using ion selective membranes may perform cation transport efficiently, but towards the end of the separation electrical conductivity in the compartment containing the dilute solution is reduced with the movement of ions in the concentrated solution compartment. Thus the energy requirements of the system with the increase of electrical resistance of ED cells increases. Also, chemical ion selectivity of electrodialysis is lower than liquid membranes. On the otherside SLM systems remove the desired ion with high selectivity and low energy use by the carriers that they contain. Major disadvantages of the system are low stability of the membrane and can not accumulate metal at desired rate in stripping solutuon. This study aimed to use of a combination of the two systems in a one system to eliminate the disadvantages and increase separation efficiency with taking advantage of high ion selectivity of SLM and ability to concentrate ion of ED systems. Cd(II) which shows highly toxic effect even at low concentration, is used in studies. Initially SLM optimization for Cd(II) carried out in this study that conducted in three stages. Stripping solution type, concentration of the stripping solution, the pH of the feed solution, acid concentration of feed solution, the initial metal concentration, flow rate and carrier concentration parameters were examined.  For the second stage optimized values for flow rate, initial concentration, pH, applied voltage and electrolyte solution concentration parameters were determined for electrodialysis system. SLM and ED processes were run together in final stage. 0.05 M Toluen-Aliquat336 membrane solution, 2M HCl 75 mg/L Cd(II) concentration, pH=3, 80 mL/min flow rate, 0.01 M HCl stripping solution values are where most Cd(II) removel obtained in SLM system. Optimal conditions for ED system are 200 mL/min flow rate, 5mg/L initial Cd(II) concentration, 45 Volt aplied voltage, pH=6 and 0.1 M NaCl concentration of electrolyte solution values. In the studies, best removal obtained with 100 mg/L initial Cd(II) concentration, 2 M HCl feed solution acid concentration, 0.1 M Toluen/Aliquat336 membrane solution concentration values at SLM side and 200mL/min flow rate, 45 Volt aplied voltage values at ED side by creating hybrid systems and 70.99% cadmium removal efficiency obtained. Cd(II) concentration decreased by continuous transport of stripping solution through ED process with consecutive run of system and increasing the concentration of the stripping solution which is a limiting operating parameter for SLM prevented. Also, Cd(II) concentrated with metal separation ability in low concentrations of ED process. As a result efficient use of the two systems was performed by supporting SLM system with ED system and separation efficiency was increased.