Lityum (I) adsorpsiyonu için Pichia stipitis mayası ile yeni bir hibrit adsorbent geliştirilmesi
Development of a new hybrid adsorbent with Pichia stipitis yeast for lithium (I) adsorption
Yazar: HANDE GÜNAN YÜCEL
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, çeşitli endüstrilerde önemli kullanım alanları olan ve doğada düşük derişimlerde ve kısıtlı miktarda bulunan lityum iyonlarının sulu çözeltilerden yaş, kuru ve ön işleme tabi tutulmuş Pichia stipitis maya hücrelerine ve bu maya hücrelerinin aktif karbonla demir(III) varlığında muamele edilmesiyle elde edilen hibrit adsorbente adsorpsiyonu incelenmiştir.
Çalışmaların ilk kısmında yaş ve kuru maya hücrelerine lityum(I) adsorpsiyonunda biyosorbentlerin lityum(I) adsorpsiyon kapasitelerinin düşük olmasından dolayı, yaş ve kuru maya hücrelerine çeşitli ön işlemler (hücrelerin 80oC'deki sıcak suyla muamele edilmesi, otoklavlanması ve betain monohidrat ile muamele edilmesi) uygulanarak biyosorbentlerin lityum(I) adsorpsiyon kapasitelerinin arttırılmasına çalışılmıştır. Ancak uygulanan ön işlemler de mayaların lityum(I) adsorpsiyon kapasitesini arttıramadığından, çalışmalar yaş ve kuru maya hücrelerinin ticari aktif karbonla demir(III) varlığında hibrit adsorbent oluşturması üzerine yoğunlaştırılmıştır. Bu amaçla, en uygun koşullarda hibrit adsorbent yapının eldesi ve lityum(I) adsorpsiyonunda kullanılabilirliğini incelemek için 25oC'da muamele öncesi başlangıç pH'ının,  sabit aktif karbon ve demir(III) derişimlerinde kütlece kuru hücre/aktif karbon oranının, sabit hücre derişiminde kütlece aktif karbon/demir(III) oranının, kullanılan aktif karbon türünün, karıştırma hızının ve ön işlem uygulanmış maya hücrelerinin kullanımının etkileri araştırılmıştır. En uygun hibrit adsorbent üretim koşulları, muamele öncesi başlangıç pH'ı 9.5'e ayarlanmış sulu ortamda, 2 g/L kuru hücre+0.3 g/L ticari aktif karbon+0.072 g/L demir(III)'in 85 rpm'de karıştırılması olarak belirlenmiştir ve tüm lityum(I) adsorpsiyon çalışmalarında bu koşullarda üretilen adsorbent kullanılmıştır.
Tez çalışmasının bu kısmında, yaş ve kuru P. stipitis maya hücreleri ile hibrit adsorbente lityum(I) adsorpsiyonunda 25oC'da başlangıç pH'ının, başlangıç lityum(I) derişiminin, adsorbent derişiminin ve karıştırma hızının adsorbentin adsorpsiyon kapasitesi üzerine etkileri araştırılmıştır. Her üç adsorbent için de pH 10.0'da en yüksek lityum(I) adsorpsiyon kapasitesinin elde edildiği, başlangıç lityum(I) derişiminin 50 mg/L'ye kadar arttırılmasıyla lityum(I) adsorpsiyon kapasitesinin arttığı, adsorbent derişiminin 10 g/L'ye kadar arttırılmasıyla lityum(I) adsorpsiyon kapasitesinin azaldığı, karıştırma hızının ise adsorpsiyon kapasitesini etkilemediği gözlenmiştir. pH 10.0'da 50 mg/L başlangıç lityum(I) derişiminde, 2-2.3 g/L adsorbent derişiminde en yüksek adsorpsiyon kapasite değerleri yaş maya hücreleri için 1.06 mg/g (134.1 µmol/g), kuru maya hücreleri için 1.24 mg/g (178.1 µmol/g) ve hibrit adsorbent için 1.70 mg/g (245.3 µmol/g) olarak belirlenmiştir. Sonuçlar, hibrit adsorbent kullanımının lityum(I) adsorpsiyon kapasitesini önemli ölçüde arttırdığını göstermiştir.
Her bir adsorbent için adsorpsiyon dengesinin matematiksel tanımlanmasında Langmuir ve Freundlich denge modelleri kullanılmış ve Langmuir modelinin her üç adsorbente lityum(I) adsorpsiyonunu en iyi tanımladığı gözlenmiştir.
Kuru maya hücrelerine ve hibrit adsorbente adsorplanan lityum(I) iyonlarının %100 verimle desorplandığı ve bu adsorbentlerin ardarda beş kez kullanılabileceği gösterilmiştir. 
Deneysel çalışmaların son kısmında, lityum(I) adsorpsiyonunda adsorbent olarak kullanılan kuru maya hücrelerinin, aktif karbonun ve hibrit adsorbentlerin optik mikroskop, SEM/EDS, BET yüzey alanı ve gözeneklilik, zeta potansiyel, sıfır yük noktası ve FTIR analizleriyle yapısal ve yüzey özellikleri incelenmiş ve adsorbentlerin yapıları ve lityum(I) adsorpsiyon mekanizmaları aydınlatılmaya çalışılmıştır.

Abstract:
In this thesis study, the adsorption of lithium(I) ions, which is a rare element found at low concentrations in nature and widely used at various industries as raw material, from aqueous solutions by using live, dry and pretreated Pichia stipitis yeast cells and by hybrid adsorbents prepared with the treatment of yeast cells with activated carbon in the presence of iron(III) ions.
In the first part of the study, it was aimed to enhance lithium(I) adsorption capacities of live and dry yeast cells due to their low lithium(I) adsorption capacities by applying various pretreatments (treating with hot water at 80oC, autoclaving, treating with betaine monohydrate)  to both of the biosorbents. As pretreatment did not indicate a noticeable increase in lithium(I) adsorption capacities of yeast cells, the studies were focused on hybrid adsorbent production from live and dry yeast cells with the treatment of activated carbon in the presence of iron(III) ions. For this purpose, the effects of initial pH value before treatment, dry cell/activated carbon ratio (w/w) at constant activated carbon and iron(III) concentrations, activated carbon/iron(III) ratio (w/w) at constant dry cell concentration, activated carbon type, agitation rate and use of pretreated cells were investigated at 25oC to examine the production of hybrid adsorbent at optimum conditions and its capability for lithium(I) adsorption. Finally, optimum hybrid adsorbent production conditions were determined by mixing 2 g/L dry yeast cell+0.3 g/L  commercial activated carbon+0.072 g/L iron(III) at 85 pm in aqueous medium whose pH value adjusted to 9.5 and the hybrid adsorbent produced at these conditions were used in all adsorption studies. 
In this part of thesis studies, the effects of initial pH, initial lithium(I) concentration, adsorbent concentration and mixing rate on the lithium adsorption capacities of live and dry P. stipitis yeast cells and hybrid adsorbent were investigated at 25oC. For all the adsorbents it was observed that the maximum lithium(I) adsorption capacity was obtained at pH 10.0, increasing initial lithium concentration to 50.0 mg/L enhanced the lithium(I) adsorption capacity, increasing adsorbent concentration to 10 g/L reduced the lithium(I) adsorption capacity and agitation rate did not affect the adsorption capacity. At the initial pH value of 10.0, 50 mg/L initial lithium(I) concentration and 2-2.3 g/L adsorbent concentration, the maximum lithium(I) adsorption capacities of live and dry yeast cells and hybrid adsorbent were determined as 1.06 mg/g (134.1 µmol/g), 1.24 mg/g (178.1 µmol/g) and 1.70 mg/g (245.3 µmol/g), respectively. 
Langmuir and Freundlich equilibrium models were used to define the adsorption equilibrium mathematically and it was seen that the experimental data for all adsorbents fitted to Langmuir model more accurately.
It was shown that lithium(I) ions adsorbed by dry yeast cells and hybrid adsorbent were desorbed at 100% efficiency and these adsorbents could be used at least five times consecutively.
At the last part of the experimental studies, structural and surface properties of dry yeast cells, activated carbon and hybrid adsorbents, used as adsorbents for lithium(I) adsorption, were investigated by optical microscope, SEM/EDS, BET surface area and porosity, zeta potential, point of zero charge and FTIR analyses and lithium(I) adsorption mechanisms were tried to be explained.