Endüstriyel arıtma çamurlarından ağır metal gideriminin incelenmesi
Investigation of heavy metal removal from industrial sewage sludge
Yazar: NAİM SEZGİN
Danışman: PROF. DR. NİLGÜN BALKAYA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Arıtma çamuru = Treatment sludge ; Ağır metaller = Heavy metals ; Hidrojeller = Hydrogels ; Jeller = Gels ; Metal kaplama = Metal coating ; Çevre kirliliği = Environmental pollution

Özet:
Endüstriyel ve evsel arıtma tesislerinde oluşan yüksek miktarlardaki arıtma çamurları pek çok organik kirleticiler ( PCBs ve PAH gibi), ağır metaller ve patojenler içermektedirler. Çevrede, özellikle de canlılar üzerinde ciddi olumsuzluklar oluşturan ağır metallerin giderimi, çevreye olan zararlarının minimize edilmesi ve kirlilik kontrolünün sağlanması bakımından büyük önem taşımaktadır.Bu çalışmada, içerdikleri ağır metaller nedeniyle tehlikeli atık kapsamına giren endüstriyel arıtma çamurlarından ağır metal giderimi incelenmiştir. Arıtma çamurlarından ağır metal gideriminde akrilik asit (Aac), akrilik asit DADMAC (Aac-Dad) ve akrilik asit Ni asetat (Aac-Ni) hidrojelleri kullanılmıştır.Endüstriyel arıtma çamurlarından ağır metal giderimine hidrojel miktarının, temas süresinin, çalkalama hızının, pH'ın ve hidrojellerin şişirilmesinin etkileri incelenmiştir. Arıtma çamurundan optimum deneysel koşullarda (7.5 g/L hidrojel miktarı, 4 saatlik temas süresi ve 150 rpm çalkalama hızı) Aac hidrojeli ile Cu(II) giderim verimi %58.49, Ni(II) giderim verimi %90.29, Zn(II) giderim verimi %90.06 ve Toplam Cr giderim verimi %82.48 olarak belirlenmiştir. Aac-Dad hidrojeli ile Cu(II) giderim verimi %60.07, Ni(II) giderim verimi %86.97, Zn(II) giderim verimi %85.62 ve Toplam Cr giderim verimi %76.00 olarak tespit edilmiştir. Aac-Ni hidrojeli ile yapılan çalışmalarda ise, Cu(II) giderim verimi %68.81, Ni(II) giderim verimi %80.22, Zn(II) giderim verimi %86.52 ve Toplam Cr giderim verimi %75.65 olduğu belirlenmiştir. Arıtma çamurlarından ağır metal giderimine pH'ın etkisini belirlemek için yapılan çalışmalarda ise Aac hidrojeli ile pH 5'te, %29.81 Cu(II) giderimi, %57.49 Ni(II) giderimi, %80.40 Zn(II) giderimi ve % 86.09 Toplam Cr giderimi elde edilmiştir. Aac-Dad hidrojeli ile pH 5'te %44.22 Cu(II) giderimi, %64.85 Ni(II) giderimi, %81.84 Zn(II) giderimi ve % 80.45 Toplam Cr giderimi belirlenmiştir. Aac-Ni hidrojeli ile pH 5'te ise %43.13 Cu(II) giderimi, %53.59 Ni(II) giderimi, %84.64 Zn(II) giderimi ve %67.05 Toplam Cr giderimi elde edilmiştir. Hidrojelleri şişirerek yapılan çalışmalarda ise hidrojelleri şişirmeden yapılan çalışmalarda elde edilen giderimlere göre daha yüksek Cu(II), Zn(II) ve Toplam Cr giderimleri sağlanmıştır.Bu çalışmada arıtma çamurlarından ağır metal gideriminin yanı sıra atıksudan ağır metal giderim çalışmaları da gerçekleştirilmiştir. Atıksudan ağır metal giderimine hidrojel miktarının, temas süresinin, çalkalama hızının ve hidrojelleri şişirmenin etkisi araştırılmıştır. Aac hidrojeli ile optimum deneysel koşullarda (25 g/L hidrojel miktarı, 4 saatlik temas süresi ve 150 rpm çalkalama hızı) belirlenen Cu(II) giderim verimi %87.15, Ni(II) giderim verimi %59.56, Zn(II) giderim verimi %72.86 ve Toplam Cr giderim verimi %61.46'dır. Aac-Dad hidrojelinde ise, Cu(II) giderim verimi %93.96, Ni(II) giderim verimi %69.00, Zn(II) giderim verimi %81.94 ve Toplam Cr giderim verimi ise %67.74 olarak belirlenmiştir. Aac hidrojelinin Cu(II), Ni(II), Zn(II) ve Toplam Cr için adsorpsiyon kapasitesi, q (mg/g), sırasıyla 2.74, 1.91, 6.71 ve 7.24 mg/g olarak tespit edilmiştir. Aac-Dad hidrojelinde adsorpsiyon kapasitesi,q (mg/g), ise, Cu(II), Ni(II), Zn(II) ve Toplam Cr için sırasıyla 2.96, 2.21, 7.55 ve 7.98 mg/g olduğu belirlenmiştir. Hidrojellerin şişirilmesinin etkisini araştırmak için gerçekleştirilen çalışmalarda, Aac hidrojelinde şişirmeyle ağır metal gideriminin arttığı, Aac-Dad hidrojelinde ise ağır metal giderimlerinde fazla bir değişiklik olmadığı tespit edilmiştir.Galvanoteknik sanayine ait atıksuda bulunan Cu(II), Ni(II), Zn(II) ve Toplam Cr konsantrasyonlarını temsil eden ve sentetik olarak hazırlanan çoklu ve tekli ağır metaller içeren atıksularla da giderim çalışmaları yapılmıştır. Çalışmalar kapsamında desorpsiyon ve termodinamik çalışmalar da gerçekleştirilmiştir. Gerçek ve sentetik olarak hazırlanan atıksulardan ağır metal giderim çalışmalarında elde edilen verilerin Langmuir ve Freundlich izotermleri ile kinetik modellere (yalancı birinci ve yalancı ikinci derece) uygunluğu da araştırılmıştır. Hidrojelle gerçek ve sentetik atıksudan metal gideriminin Freundlich izotermine ve yalancı ikinci dereceden kinetik modele uygun olduğu belirlenmiştir. Aac hidrojeli ile termodinamik çalışmalar sonucu elde edilen deneysel verilere göre, Gibbs serbest enerji (?G) değerleri ve adsorpsiyon entalpisi (?H) negatif olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar reaksiyonun kendiliğinden meydana geldiğini ve ekzotermik bir süreç olduğunu göstermektedir. Aac ve Aac-Dad hidrojelleri ile yapılan desorpsiyon çalışmalarında ise, 24 ve 48 saatlik bekleme sürelerinde desorpsiyon oranları % 0-2.5 arasında değişmiştir.Hem arıtma çamuru ile hem de atıksu çalışmalarında elde edilen sonuçlara göre, akrilik asit (Aac), akrilik asit DADMAC (Aac-Dad) ve akrilik asit Ni asetat (Aac-Ni) hidrojellerinin ağır metal gideriminde kullanılabileceği belirlenmiştir. Adsorban olarak kullanılan hidrojellerden Aac hidrojeli ile arıtma çamurundan ağır metal giderim çalışmalarında, Aac-Dad hidrojeli ile atıksudan ağır metal giderim çalışmalarında daha yüksek giderim verimleri elde edilmiştir. Bu nedenle arıtma çamurundan ağır metal gideriminde Aac hidrojelinin, atıksulardan ağır metal gideriminde ise Aac-Dad hidrojelinin kullanımının uygun olacağı belirlenmiştir.

Abstract:
Treatment sludge, which come from industrial and municipal treatment plants, contains many organic pollutants (such as PCBs and PAHs), heavy metals and pathogens. Heavy metals, which are used in many industries, have toxic effects even at very low concentrations and they have the potential to accumulate. Heavy metals have serious negative effects especially on living organisms in environment. Removals of heavy metals have considerable importance in terms of minimization of their harmful effects on the environment and environmental pollution control.In this study, removal of heavy metals in industrial treatment sludge, which is a hazardous waste because of its heavy metals content, was investigated in metal coating industrial treatment sludge samples. Acrylic acid (Aac), acrylic acid DADMAC (Aac-Dad) and acrylic acid Ni acetate (Aac-Ni) hydrogels were used for removal of heavy metals in the treatment sludge.Effects of hydrogel dose, contact time, shaking speed, pH and swelling of hydrogels on the removal of heavy metals in the treatment sludge were investigated. On the experimental optimum conditions (7.5 g / L for hydrogels amount, 4 hours for contact time and shaking speed at 150 rpm) the removal of heavy metal with Aac hydrogel was found for Cu(II) removal 58.49%, for Ni(II) removal 90.29%, for Zn(II) removal 90.06% and for total Cr removal 82.48%. Heavy metal removal with Aac-Dad hydrogel was determined for for Cu(II) removal 60.07%, for Ni(II) removal 86.97%, for Zn(II) removal 85.62% and for total Cr removal 76.00%. Heavy metal removal also with the Aac-Ni hydrogel was occurred for Cu(II) removal 68.81%, for Ni(II) removal 80.22%, for Zn(II) removal 86.52% and for total Cr removal 75.65%. On the other hand, during the investigation of suitable pH for heavy metal removal in the treatment sludge, pH 5 was obtained with Aac hydrogel 29.81% for Cu(II) removal, 57.49% for Ni(II) removal, 80.40% for Zn(II) removal and 86.09% for total Cr removal. At the pH 5 with Aac-Dad hydrogel was occurred 44.22% for Cu(II) removal, 64.85% for Ni(II) removal, 81.84% for Zn(II) removal and 80.45% for total Cr removal. At the pH 5 with Aac-Ni hydrogel was obtained 43.13% for Cu(II) removal, 53.59% for Ni(II) removal, 84.64% for Zn(II) removal and 67.05% for total Cr removal. Experimental swelling of hydrogels was obtained relatively higher comparing non swelled hydrogel condition for removal of Cu (II), Zn (II) and total Cr in treatment sludge.In this study, removal of heavy metals was carried out from industrial wastewater, which is metal coating industrial wastewater, as well as removal of heavy metal from treatment sludge. Effects of hydrogel dose, contact time, shaking speed and swelling of hydrogels on the removal of heavy metal in wastewater were also investigated. Under the optimal experimental conditions of Aac and Aac-Dad hydrogels (dose of hydrogels were 25 g/L, contact times were 4 hours and shaking speeds were 150 rpm), the determined removal efficiencies for the related two hydrogels respectively for Cu(II) were 87.15%-93.96%, for Ni(II) were 59.56%-69.00%, for Zn(II) were 72.86%-81.94% and for total Cr were 61.46%-67.74%. Adsorption capacities of Aac and Aac-Dad were found for Cu(II) were 2.74-2.96 mg/g, for Ni(II) were 1.91-2.21 mg/g, for Zn(II) were 6.71-7.55 mg/g, and for total Cr were 7.24-7.98 mg/g, respectively. In the investigation of hydrogel swelling was shown that swelling of Aac hydrogel has an increasing effect on heavy metal removal rate. However, swelling of Aac-Dad hydrogel has no considerable effect on heavy metal removal rate industrial wastewater.The removal heavy metal from wastewater in metal coating industrial, which was contained multi and single heavy metal and its prepared synthetically, was investigated. Cu (II), Ni (II), Zn (II), and the total Cr concentrations in synthetically wastewater were prepared similar to metal coating industrial wastewater. In addition, desorption and thermodynamic studies carried out within the study. The data?s, which were obtained of removal heavy metals from real and synthetically wastewaters, were investigated in eligibility for Langmuir and Freundlich isotherm and kinetic models. The removal of heavy metals from real and synthetic wastewater with hydrogels was determined comply with the Freundlich isotherm and pseudo-second order kinetics model. According to results of thermodynamics experiments with Aac hydrogel were found gibbs free energy (?G) and enthalpy (?H) was negative. Therefore, the reaction was determined spontaneous and exothermic. Rates desorption for Aac and Aac-Dad hydrogels was found at the range of 0-2.5%.According to the results of in these studies, acrylic acid (Aac), acrylic acid DADMAC (Aac-Dad) and acrylic acid, Ni acetate (Aac-Ni), hydrogels can be used for removal of heavy metal in the wastewater and treatment sludge. Therefore, the removal of heavy metals from the treatment sludge and wastewater was determined to be appropriate respectively Aac hydrogel and Aac-Dad hydrogel.