Sulu çözeltideki kurşun ve bakır iyonlarının sepiyolit ile adsorpsiyonu
Adsorption of lead and copper ions in aqueous solution by natural sepiolite
Yazar: EBRU ARAÇ
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Endüstriyel faaliyetler sonucunda açığa çıkan ağır metaller, çevre kirliliğine sebep olmakta ve toprak, su ve atmosfere karışarak canlı organizmaların yaşamını etkilemektedir. Atık sularda bulunan ağır metal iyonları, organik kirleticilerden farklı olarak, biyolojik olarak parçalanıp yok olmadıkları için organizmalarda depolanmakta ve besin zincirlerine girmektedirler.
Çeşitli endüstriyel faaliyetler sonucu oluşan atık sular önemli ölçüde kurşun ve bakır bileşiklerini içermektedirler. İnsan sağlığına zehirli etkisi olduğu bilinen bu bileşiklerin vücuda alınması halinde, böbrekler, sinir ve üreme sistemleri, ciğerler ve beyin önemli ölçüde zarar görmektedir. Bu yüzden endüstriyel işlemler sonrasında açığa çıkan kirli atık sular çeşitli işlemlerden geçirilerek standartlara uygun hale getirilmelidir. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından belirlenen, içme sularındaki kabul edilebilir kurşun iyonu derişimi (0,01 mg/L) ve bakır iyonu derişimi (2 mg/L) dikkate alındığında, yüksek miktarda kurşun ve bakır iyonları içeren endüstriyel atık sulardan bu iyonların ekonomik bir yöntemle giderilmesi gerekmektedir.
Atık suların içerdiği ağır metallerin giderilmesi için, kimyasal çöktürme, ultrafiltrasyon, ters osmoz, iyon değiştirme, solvent ekstraksiyonu, biyolojik prosesler ve adsorpsiyon gibi çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bu yöntemlerin birçoğunun yüksek yatırım ve işletme maliyeti, fazla enerji tüketimi ve karmaşık proses aşamaları gibi dezavantajları olması nedeniyle atık sulardan ağır metallerin gideriminde daha ekonomik yöntemlerin tasarlanması gerekmektedir. Atık sulardaki ağır metallerin adsorpsiyon yoluyla uzaklaştırılması, kullanılan adsorbanın cinsine bağlı olarak diğer yöntemlere oranla daha ekonomik ve etkin bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Atık sulardan ağır metal gideriminde en verimli ve etkin yöntem olan adsorpsiyon, kısaca iki fazı birbirinden ayıran ara yüzeylerde gerçekleşen tutunma olayı olarak tanımlanmaktadır. Adsorplama özelliğine sahip malzemeler arasında yer alan kil mineralleri, kimyasal ve mekanik kararlılıkları, yüksek yüzey alanları, yapısal özellikleri, düşük maliyetleri ve toprak ve sediment ortamda bulunma kolaylıkları nedeniyle sulu çözelti içerisindeki ağır metal iyonlarını adsorplamada yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu çalışmada, Eskişehir yöresinden alınmış sepiyolitin sulu çözeltilerdeki kurşun (II) ve bakır (II) iyonlarını adsorplama kapasitesinin, çalışma koşullarına bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Bu amaçla, adsorpsiyon süresi, çözelti pH değeri, sıcaklık ve başlangıç iyon derişimi gibi parametrelerin adsorpsiyon kapasitesi üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Başlangıç iyon derişimi, sıcaklık ve pH değerlerinin sepiyolitin adsorpsiyon kapasitelerine etkisi 23 faktöriyel tasarıma göre istatistiksel olarak da değerlendirilmiş ve korelasyon katsayıları 1.000-0.997 arasında olan ampirik eşitlikler türetilmiştir. Adsorpsiyon deney sonuçlarının Langmuir, Freundlich ve Temkin izotermlerine uygunlukları araştırılmıştır. Adsorpsiyon sürecini temsil eden kinetik parametreler, hayali ikinci mertebe kinetik model kullanılarak hesaplanmıştır.
Deney sonuçları, başlangıç iyon derişimi arttıkça adsorpsiyon kapasitesinin arttığını; ancak iyon giderim yüzdesinin azaldığını göstermiştir. Çözelti pH değeri arttıkça adsorplanan kurşun miktarının arttığı, adsorplanan bakır iyonu miktarının ise çözelti pH değerinden etkilenmediği gözlenmiştir. Sıcaklığın adsorpsiyon kapasitesine önemli derecede bir etkiye sahip olmadığı; ancak artan sıcaklıkla beraber adsorpsiyon kapasitesinde bir miktar artışın meydana geldiği gözlenmiştir. Adsorpsiyon deney sonuçlarına en uygun izoterm modelinin hem kurşun (II) hem de bakır (II) iyonları için Freundlich izoterm modeli olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada gerçekleştirilen adsorpsiyon süreçleri için hızı belirleyici adımın kimyasal etkileşimler yoluyla adsorpsiyon olduğu tespit edilmiştir. İstatistiksel değerlendirme sonucunda adsorpsiyon kapasitesi üzerinde en etkin parametrenin başlangıç iyon derişimi olduğu saptanmıştır.

Abstract:
Heavy metals released as a result of industrial activity causes environmental pollution which negatively effects living organism by getting into the soil, water and atmosphere. Heavy metal contaminants are present in the waste waters of metallurgical/metal manufacturing and electroplating, chemicals, printing, dye and paint, pulp and paper, textile, refinery and petrochemicals, leather, fertilizer, pesticides and other industries. Unlike most organic pollutants, heavy metals do not degrade biologically and tend to accumulate in the organisms, thereby eventually entering the food chains. Thus, these contaminants threat the life if they increased beyond the permissible level.
Waste waters originating from different industries contain considerably high amounts of lead and copper compounds. The uptake of these poisonous compounds by human body cause severe damage to the kidney, nervous system, reproductive system, liver and brain. Since the waste waters resulting from these industrial processes contain large amount of heavy metal ions, some operations should be applied to reduced the heavy metal ion concentration to limit values. The permissible limit of ion concentration level in drinking water as set by World Health Organization (WHO) is 0,01 mg/L for lead and 2 mg/L for copper.
There are several methods that can be used to remove heavy metals from waste waters such as chemical precipitation, ultrafiltration, reverse osmosis, ion exchange, adsorption, solvent exraction and biological treatment. Since most of these methods have some disadvantages such as high investment and operating costs, high energy consumption and complicated operation steps, there is a need to design more economical methods for the removal of heavy metals from waste waters.
Adsorption has been universally accepted as one of the most widely used methods for removing heavy metals from aqueous solution. Removal of heavy metals from waste waters by adsorption can be economic and efficient in comparison with the other methods depending on the adsorbent used. Adsorption effectively removes contaminants in waste waters with high solute loadings and even at dilute concentrations. Adsorption is briefly a holding event realized between the surfaces from each other that set apart from two phases. The adsorption process is governed by a number of parameters that determine the efficiency level of an adsorbent. However, appropriate properties and cost of adsorbent materials are the key aspects for practical applications dealing with heavy metal removal from waste waters. Eco-friendly natural materials, which are less expensive and addressed local sources with high affinity toward toxic metals, are being investigated. Among all the different adsorptive materials, clay minerals have been used widely to capture heavy metal ions from aqueous solutions due to their chemical and mechanical stability, high surface area associated with small particle size, structural properties, low cost and the ubiquitous occurrence in most soil and sediment environment.
In this study, the uptake of lead (II) and copper (II) ions from aqueous solutions was achieved with the adsorption method by using sepiolite which was provided from Eskişehir province of Turkey. For this purpose, effects of some important parameters, such as adsorption time, solution pH value, initial metal ion concentration and temperature on the adsorption capacity were determined experimentally.
In these experiments 50 mg samples of the adsorbent and 4 ml of aqueous solutions having ion concentrations of 50, 100, 200, 400, 500, 800 and 1000 mg/L were used. The copper stock solution was prepared by dissolving a known quantity of metallic copper in HNO3. The lead stock solution was prepared by dissolving a known quantity of Pb(NO3)2 in deionized distilled water to obtain a stock solution with a concentration of 1000 mg/L. These stock solutions were diluted to the desired ion concentrations.
Firstly, optimum adsorption time for different initial ion concentrations were determined at a constant pH and temperature. Considering the studies in the literature, the solution pH value and temperature were selected as 5 and 298 K respectively. Adsorption process was performed for 15, 30, 45, 60, 90, 150, 240 and 300 minutes. As a result of experiments, the optimum adsorption time for both ions was found to be 60 minutes. It was determined that by the increase of the initial ion concentration of adsorbate solution, the amount of adsorbed ions increases but ion removal percentage decreases. Also it was observed that lead (II) exhibited a higher adsorption capacity than copper (II).
Adsorption experiments were performed in a routine manner by batch technique at two pH values of 2 and 5 and two temperatures of 298 K and 328 K. The concentrations of ions in the solution before and after the adsorption process were determined via a Perkin-Elmer AAnalyst 800 model atomic absorption spectrometer with cathode lamp and air-acetylene flame. The amount of ions retained in the adsorbent phase at equilibrium qe (mg/g) was calculated.
It was observed that the lead adsorption capacity of sepiolite increased with the increasing solution pH value, but any effect of pH on the adsorption capacity of copper was not observed. Even though the temperature had not a pronounced effect on adsorption capacity, a little increase in adsorption capacity with increasing temperature was observed.
Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm models have been employed extensively by many researchers to explain the adsorption mechanism of heavy metal ions due to their simplicity and applicability. Therefore, the fitting between the experimental results and Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm equations were studied to describe the adsorption mechanism. It was observed that Freundlich isotherm model is the best fitting model for both two ions derived from experimental results.
Effects of pH value and temperature values and initial ion concentration of adsorbate solution on the adsorption capacity were also statistically analyzed by using 23 factorial design technique and empirical equations having it correlation coefficients between 1.000-0.997 were derived. As a result of statistical analyses, the most efficient parameter on the adsorption capacity was determined as initial ion concentration for both adsorbents.
Finally, kinetic parameters representing the adsorption process were calculated by using pseudo second-order-kinetic model. Adsorption through chemical interactions for the adsorption processes was found to be the rate limiting step.