Taş kömüründen adsorbent geliştirilerek fenolik bileşiklerin akışkan yataklı adsorpsiyon prosesinde arıtımı
Development of an adsorbent from bituminous coal for the removal of phenolic compounds in fluidized bed adsorption process
Yazar: CANDAN ERYILMAZ
Danışman: PROF. DR. AYTEN GENÇ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, düşük sıcaklıkta kimyasal aktivasyon ile Zonguldak taş kömüründen adsorbent üretilerek, kömür bazlı adsorbentin atıksulardan fenol gideriminde kullanılabilirliği araştırılmıştır. 50 mg/L fenol konsantrasyonundaki sentetik atıksularla gerçekleştirilen kesikli denge adsorpsiyon deneylerinde, 30ºC sıcaklıkta H2SO4 aktivasyonu ile kömürden elde edilen adsorbent kullanılarak ortalama ±%75 fenol giderimi sağlanmıştır. Üretilen adsorbentin SEM, BET ve FT-IR analiz sonuçları, H2SO4 aktivasyonunda kömürün yüzey alanında çok yüksek artışlar sağlanmazken, yüzeydeki fonksiyonel gruplarda önemli değişimlerin gerçekleştiğini göstermiştir. Fenol adsorpsiyonunda yüzeydeki fonksiyonel grupların ve hidrojen bağların etkisi olduğu gözlenmiştir. Fenol adsorpsiyonun Langmuir ve Freundlich izortermleri ile uyumlu ve adsorpsiyon hız kinetiğinin yalancı ikinci mertebe olduğu belirlenmiştir. 
Sabit ve akışkan yataklı kolonlarda H2SO4 aktivasyonu ile kömürden elde edilen adsorbent kullanılarak sürekli adsorpsiyon deneyleri gerçekleştirilerek fenol gideriminde başlangıç konsantrasyonunun, debinin ve yatak yüksekliğinin etkileri incelenmiştir. Sabit yataklı  
ÖZET (devam ediyor)
adsorpsiyon kolonunda kütle transfer bölgesi yüksekliği ve giderim verimleri birlikte değerlendirildiğinde en uygun çalışma koşulları 3,2 cm yatak yüksekliği, 1,75 mL/dak debi ve 100 mg/L giriş fenol konsantrasyonu olarak belirlenmiştir. Düşük debi ve artan başlangıç fenol konsantrasyonlarında giderim veriminde artış gözlenmiştir. Ancak, yatak yüksekliğindeki artışla kullanılmayan yatak yüksekliğinin de artış göstermesine bağlı olarak fenol giderim verimlerinde değişim gözlenmemiştir. Akışkan yataklı kolonda daha düşük debilerde temas süresinin artmasıyla daha yüksek fenol giderim verimleri elde edilmiştir. Kolonda minimum akışkanlaşma hızı belirlenerek en uygun çalışma debisi 18,38 mL/dak bulunmuştur. Akışkan yataklı kolonda başlangıç fenol konsantrasyonundaki değişimlerin giderim verimine etkisi olmadığı gözlenmiştir. Sabit ve akışkan yataklı kolonlarda yatak yükseklikleri eşit olduğunda akışkan yataklı kolonda adsorbent çok daha kısa sürede doygunluğa ulaşmıştır. Ayrıca, akışkan yataklı kolonda çalışma debileri daha yüksek olduğundan daha kısa sürelerde istenilen çıkış standartlarında daha yüksek hacimde su elde edilmiştir.
Sabit ve akışkan yataklı adsorpsiyon kolonlarındaki modelleme çalışmalarında Adams-Bohart, Wolborska, Thomas ve Yoon-Nelson modelleri deney verilerine uyarlanarak model tahmin sonuçları kırılma eğrileriyle karşılaştırılmıştır. Adams-Bohart ve Wolborska model tahminleri deney sonuçları uyumlu olmadığı gözlenirken Thomas ve Yoon-Nelson modell tahminlerinin kırılma eğrilerindeki verilerle uyumlu olduğu gözlenmiştir. Ancak her iki modelden elde edilen model tahmin edilen sonuçları deney sonuçlarından oldukça düşüktür. Her iki modelde de difüzyon ile kütle taşanımın ihmal edilmesinin model tahmin sonuçlarındaki farklılığa neden olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
In this study, an adsorbent was produced from Zonguldak coal through chemical activation at low temperatures, and its usability for removing phenol from wastewater was investigated. The adsorbent obtained from coal activation with H2SO4 at 30℃ was used in batch equilibrium adsorption experiments conducted with synthetic wastewater containing 50 mg/L of phenol, and 80.3% phenol removal were achieved. The SEM, FT-IR, and BET analyses of the produced adsorbent indicated significant changes in surface functional groups while not displaying a substantial increase in the surface area of the coal through H2SO4 activation. The impact of surface functional groups and hydrogen bonding was observed in phenol adsorption. The phenol adsorption complied with Langmuir and Freundlich isotherms, and the adsorption kinetics followed a pseudo-second order kinetic model. 
Continuous adsorption experiments were conducted using adsorbents obtained from coal through H2SO4 activation in fixed and fluidized bed columns to examine the effects of initial  
ABSTRACT (continued)
phenol concentration, flow rate, and bed height on phenol removal. column, In the case of evaluating the height of the mass transfer zone and removal efficiencies together in the fixed bed adsorption, the most suitable operating conditions were determined as 3.2 cm bed height, 1.75 mL/min flow rate, and 100 mg/L inlet phenol concentration. An increase in removal efficiency was observed at lower flow rates and higher initial phenol concentrations. No improvements in phenol removal efficiency were observed with an increasing bed height because of the increases in unused bed heights. In the fluidized bed column, higher phenol removal efficiencies were obtained with increased contact time at lower flow rates. The optimum operating flow rate was found to be 18.38 mL/min after determining the minimum fluidization velocity in the column. It was observed that changes in initial phenol concentration did not affect the removal efficiency in the fluidized bed column. When the bed heights were equal in the fixed and fluidized bed columns, the fluidized bed column reached saturation in a shorter time.  Additionally, due to the higher operating flow rates in the fluidized bed column, higher volumes of water meeting the desired outlet standards could be obtained in shorter periods.
In the modelling studies of fixed and fluidized bed adsorption columns, the Adams-Bohart, Wolborska, Thomas, and Yoon-Nelson models were fitted to the experimental data, and the model predictions were compared with breakthrough curves. While the predictions of the Adams-Bohart and Wolborska models did not match the experimental results, it was observed that the predictions of the Thomas and Yoon-Nelson models matced with the data in the breakthrough curves. However, the predicted results from both models were considerably lower than the experimental results. It is proposed that neglecting pore diffusion mass transfer in both models caused to the discrepancy in the predicted results.