Cu(II) VE Pb(II) ağır metallerinin sulu çözeltilerden uzaklaştırılmasında magnezyum silika aerojel adsorpsiyon performansının incelenmesi
Investigation of magnesium silica aerogels adsorption performance for removal of Cu(II) VE Pb(II) heavy metals from aqueous solutions
Yazar: HAKAN YAVUZ
Danışman: PROF. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Ardışık iyonik tabaka adsorpsiyonu ve reaksiyon = Sequential ionic layer adsorption and reaction ; Ağır metal iyonları = Heavy metal ions ; Endüstriyel atık su = Industrial waste water ; Ergimiş magnezyum oksit = Fused magnesium oxide ; Mezoporlu silika = Mesoporous silica

Özet:
Nüfus-sanayileşmenin hızlı artışı ile, metal-çelik, madencilik, batarya üretimi, otomotiv, boya-seramik-kâğıt, tarım ilaçları gibi endüstriyel faaliyetlerden kaynaklı toksik metalleri içeren atıksuların doğaya deşarj edilmesi, çevreye ve insan sağlığına büyük tehlike yaratmaktadır. Ağır metaller; toksisiteleri, uzun biyolojik yarı ömürleri sebebiyle doğada çözünemezler ve yoğun etkileri sebebiyle, atıksulardan uygun arıtma işlemiyle uzaklaştırılmalıdır. İyon değişimi, membran filtrasyon, kimyasal çökeltme, elektrokimyasal, adsorpsiyon gibi arıtma yöntemleri uygulanmaktadır. Adsorpsiyon; basitliği, düşük maliyeti, yüksek verimliliği ve düşük kirliliği sebebiyle etkili bir teknik kabul edilmektedir.
Silika aerojel, çapraz bağlı ağ yapısında,%90'dan fazlası havadan oluşmaktadır. Yüksek yüzey alanına ve gözenekliliğe, düşük ısı iletkenliğine ve yoğunluğa sahip şeffaf katı malzemelerdir. Ayrıca, toksik olmamaları, biyouyumlulukları, şişme-su emme kabiliyetleri, yüksek performanslı adsorpsiyonu gibi eşsiz özelliklerinden dolayı silika aerojellerin endüstriyel arıtmada kullanımı önem kazanmaktadır.
Bu çalışmada; amin fonksiyonel grubu (3-aminopropiltrietoksisilan (APTES)) ile yüzeyi modifiye edilen(A-MSA) ve edilmeyen(MSA) Magnezyum Silika Aerojel kullanılmış, sulu çözeltilerdeki (Cu(II),Pb(II)) metal iyonlarının adsorban üzerindeki adsorpsiyon davranışları (başlangıç metal konsantrasyonu, temas süresi, adsorban miktarı) üzerine çalışılmıştır. Aerojellerin adsorpsiyon performansları karşılaştırılarak teknolojik kullanım potansiyelleri araştırılmıştır. Aerojellerin; Zeta-NanoSizer ile partikül boyutu, Tarama Elektron Mikroskobu (SEM-EDS) ile morfolojik-elementel özellikleri, Fourier Dönüşümü Spektroskopisi (FT-IR) ile fonksiyonel grupları, (BET) ile spesifik yüzey alanı-gözenek yapıları karakterize edilmiş, iyon ölçümleri İndüktif Plazma Spektrometresi (ICP-MS/OES) cihazıyla gerçekleştirilmiştir.
MSA ve A-MSA'nın gözenekli, küresel partiküllerden oluşan kümelenmiş (aglomere) üzüm salkımı yapılarında oldukları görülmüştür. A-MSA'nın APTES oranı arttıkça,yüksek Zeta potansiyeli ölçülmüştür. MSA, ağır metal iyonları üzerinde yüksek/verimli adsorban performansı göstermiştir. Çözelti iyon konsantrasyonu arttıkça, aerojellerin Cu(II) giderim verimliliğinin hızla düşmüş, yüksek konsantrasyonlarda Pb(II) için yüksek seçicilik ve uzaklaştırma verimliliği devam etmiştir. Pb(II)-temas/denge süresi 2saat, giderim yüzdesi %99,58 olup Cu(II)-temas/denge süresi 24saat, giderim yüzdesi %62,10'dir.Temas süresi arttıkça iyonların giderim yüzdelerinin düzenli olarak arttığı tespit edilmiştir. Bağlanma bölgelerinde metal iyonları alıkonuldukça, ortamdaki aktif bölgeler azalmakta, metallerin giderim hızı yavaşlamaktadır. MSA adsorbanın etkinliğinin Pb(II)>Cu(II) sırasını izlediğini göstermiştir. MSA'nın adsorpsiyon davranışının Langmuir ve Freundlich izotermlerinin her ikisine de uyumluluk göstermiştir.
Sonuçlar, MSA'nın endüstriyel atıksu arıtma uygulamalarında ağır metallerin uzaklaştırılması/giderimi için alternatif bir adsorban olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
With rapid increase in population-industrialization, the discharge of wastewater containing toxic metals from industrial activities such as metal-steel, mining, battery, automotive, paint-ceramic-paper,pesticides,into nature poses a great danger to the environment&human health. Heavy metals are not biodegradable due to their toxicity and long biological half-life and they must be removed from wastewater. Some treatment methods including ion exchange,membrane filtration,chemical precipitation, electrochemical, adsorption have been applied to remove heavy metals from wastewater. Adsorption is an effective technique (simplicity,low cost,high efficiency and low pollution).
Silica aerogel is a cross-linked network structure,>90% composed of air and transparent solid materials with high surface area and porosity,low thermal conductivity and density. Use of silica aerogels in wastwater treatment is gaining importance due to their unique properties (non-toxicity,biocompatibility,swelling-water absorption capabilities,high performance adsorption).
In this study; Magnesium Silica Aerogel with(A-MSA) and without(MSA) surface modified with amine-functional group (3-aminopropyltriethoxysilane(APTES)) were used,adsorption behaviors (conditions of initial metal concentration,contact time,adsorbent amount) of Cu(II)-Pb(II) metal ions in aqueous solutions on the adsorbent were studied. Measurements:for particle size by Zeta-NanoSizer,morphological-elemental properties by Scanning Electron Microscopy(SEM-EDS),functional groups by Fourier Transform Spectroscopy(FT-IR),specific surface area-pore structures by(BET) and ion measurements by Inductive Plasma Spectrometry(ICP-MS/OES).
MSA/A-MSA have agglomerated grape cluster structures consisting of porous, spherical particles. As the APTES ratio of A-MSA increased,high Zeta potential was measured.MSA showed high efficient adsorbent performance on heavy metal ions. As the solution ion concentration increased, Cu(II) removal efficiency of aerogels decreased rapidly, while high selectivity&removal efficiency on Pb(II) was maintained at high concentrations.Pb(II)&Cu(II) ions, contact/equilibrium time and removal percentage: 2h&99.58% and 24h&62.10%, respectively. Removal percentages of the ions increased steadily as the contact time increased,by retaining metal ions, active sites of surface decrease and removal rate of metals slows down. MSA efficiency:Pb(II)>Cu(II).Adsorption behavior of MSA was in accordance with both Langmuir and Freundlich isotherms.
All the results suggest that MSA may be an alternative adsorbent for heavy metals removal in wastewater treatment applications.