Nikel ferrit (NiFe2O4) nanopartiküllerin sentezi ve atıksuların arıtımında kullanılabilirliğinin incelenmesi
The synthesis of nickel ferrite (NiFe2O4)nanoparticles and investigation of availability in treatment of wastewater
Yazar: ZEYNEP KARCIOĞLU KARAKAŞ
Danışman: PROF. DR. RECEP BONCUKCUOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışma iki temel kısımdan meydana gelmektedir. İlk bölümde manyetik NiFe2O4 nanopartiküllerin sentezi araştırılmıştır. NiFe2O4 nanopartiküllerin sentezi için PEG (poli etilen glikol) destekli hidrotermal sentez yöntemi ve mikrodalga destekli yakma yöntemi olmak üzere iki farklı sentez yöntemi uygulanmıştır. Elde edilen nanopartiküllerin çeşitli yapısal ve morfolojik özellikleri X- ışını difraksiyonu (XRD), geçirimli elektron mikroskobu (TEM), taramalı elektron mikroskobu (SEM),  Brunauer-Emmet-Teller yüzey alanı ölçümü (BET), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi, termogravimetrik analiz (TGA) ve titreşen örnek manyetometresi (VSM) teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. İkinci bölümde ise sentezlenen nikel ferrit nanopartikülleri kullanarak atık sulardan antimon ve arsenik gideriminde çalışma parametrelerinin etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla yapılan denemelerde NiFe2O4 nanopartiküllerin üzerinde arsenik ve antimon adsporpsiyonunda karıştırma hızı, adsorbent dozajı, temas süresi, çözeltinin başlangıç pH değeri, başlangıç kirletici konsantrasyonu ve sıcaklık gibi çalışma parametrelerinin etkileri sistematik bir şekilde incelenmiştir. Arsenik adsorbsiyonunun incelendiği denemelerde optimum çalışma koşulları temas süresi 30 dak, çözeltinin pH değeri 9, karıştırma hızı 300 dev/dak,  başlangıç arsenik konsantrasyonu 25 mg/L, adsorbent dozajı 6 g/L ve oda sıcaklığı olarak belirlenmiş ve %91 arsenik giderim verimi elde edilmiştir. Elde edilen deneysel veriler Langmuir ve Freundlich izotermleri ile karşılaştırıldığında Freundlich izotermi ile daha iyi uyum gösterdiği belirlenmiştir. NiFe2O4 nanopartiküller üzerinde arsenik adsorpsiyonun yalancı birinci derece kinetik modeli ile uyumlu olduğu görülmüştür. Antimon adsorpsiyonu için yapılan denemelerin sonuçlarına göre optimum çalışma koşulları temas süresi 90 dak, çözeltinin pH değeri 5, karıştırma hızı 300 dev/dak,  başlangıç antimon konsantrasyonu 10 mg/L, adsorbent dozajı 0.6 g/L ve oda sıcaklığı olarak belirlenmiş ve %97 antimon giderim verimi elde edilmiştir. Deneysel verilerin kinetik modellerle yapılan karşılaştırmasında en uygun kinetik modelin yalancı 2. derece kinetik model olduğu belirlenmiştir. Bu proses için en uygun adsorpsiyon izotermi ise Freundlich izotermi olarak belirlenmiştir. Her iki kirletici için de yapılan desorpsiyon çalışmalarında kullanılan nanopartiküllerin rejenere edilerek tekrar kullanılabilir olduğu görülmüştür.

Abstract:
This study consists of two main sections. In the first section, synthesis of magnetic NiFe2O4 nanoparticles is investigated.  Two different synthesis methods are applied in order to synthesis NiFe2O4 nanoparticles. These synthesis methods are PEG (poly ethylene glycol) assisted hydrothermal synthesis method and microwave assisted combustion method. Various structural and morphological properties of the synthesized nanoparticles were characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmet-Teller surface area measurement (BET), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), thermogravimetric analysis (TGA) and vibrating sample magnetometer (VSM). In the second section, the effects of operational parameters on adsorption of antimony and arsenic by using synthesized NiFe2O4 nanoparticles from waste water were investigated. 

The effects of operational parameters, which are stirring rate, adsorbent dosage, contact time, initial pH value of solution, initial polluting concentration and temperature, on the arsenic and antimony adsorption onto the NiFe2O4 nanoparticles were systematically investigated. Moreover, in the investigation of arsenic adsorption, optimum working conditions are determined as that contact time is 30 minutes, initial pH value of solution is 9, stirring speed is 300 rpm, initial arsenic concentration is 25 mg/L, adsorbent dosage is 6 g/L, temperature is room temperature. In these conditions, 91 % removal efficiency of arsenic adsorption is obtained. As obtained experimental results compared Langmuir and Freundlich isotherms models, it is determined that obtained values are better agreements with Freundlich isotherm. Then, it is observed that the arsenic adsorption onto the NiFe2O4 nanoparticles is compatible with pseudo first order kinetic model. Furthermore, in the investigation of antimony adsorption, optimum working conditions are determined as that contact time is 90 minutes, initial pH value of solution is 5, stirring speed is 300 rpm, initial antimony concentration is 10 mg/L, adsorbent dosage is 0.6 g/L, temperature is room temperature. In these conditions, 97 % efficiency of antimony adsorption is obtained. Next, it is observed that the antimony adsorption onto the NiFe2O4 nanoparticles is compatible with pseudo second order kinetic model. It is determined that the most compatible adsorption isotherm for this process is Freundlich isotherm. Finally it is seen that NiFe2O4 nanoparticles used in desorption experiments for both arsenic and antimony pollutants can be reused by regeneration.