Magnetik nanokiller kullanılarak metilen mavisi boyar maddesinin sulu çözeltilerden giderimi: Kinetik, denge ve termodinamik çalışmaları
Removal of methylene blue dyet from aqueous solutions using magnetic nanoclays: Kinetic, equilibrium and thermodynamic studies
Yazar: YASİN USTA
Danışman: DOÇ. DR. ASUDE ATEŞ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Su kirliliği, suyun herhangi bir kirletici ile temas etmesi sonucu canlılar üzerinde zararlı etkilere neden olması olarak tanımlanır. Organik ve kimyasal boyalar, önemli su kirleticilerinden biridir. Organik boyalar, deri, boya, kağıt, kozmetik ve tekstil üretimi yapan tesislerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, boyalar, su içinde çok düşük konsantrasyonlarda bile varlıkları gözlemlenebilen önemli atıksu kirleticilerindendir. Boyama ve baskı için üretilen boyaların %5-10'u, atıksularla birlikte alıcı ortama boşaltılmaktadır. Sulu çözeltilerden boyaların giderilmesi için birçok yöntem bulunmaktadır. Kimyasal ve biyolojik arıtma yöntemleri, ilk akla gelen yöntemlerdendir. Bu yöntemler arasında kimyasal çöktürme, çözücü ekstraksiyon, membran filtrasyon, koagülasyon, ters ozmoz ve adsorpsiyon bulunmaktadır. Ancak, bu yöntemlerin yüksek maliyeti, ek kirletici üretimi ve düşük verim gibi dezavantajları vardır. Bununla birlikte, adsorpsiyon, atıksulardan boyaların uzaklaştırılması ve geri dönüştürülmesi için en etkili yöntemlerden biridir. Adsorpsiyon sürecinde, gözenek yapısı, boya-adsorban etkileşimi, adsorban yüzey alanı, pH, tanecik büyüklüğü, sıcaklık ve temas süresi gibi birçok fiziko-kimyasal faktör rol oynar. Adsorpsiyon, bir maddenin başka bir madde veya taneciğin yüzeyine bağlanma sürecidir. Bu süreç, kirlilik giderme, kimyasal ayırma, kataliz ve gaz arıtma gibi çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Adsorpsiyon yöntemi, adsorbent adı verilen bir malzeme kullanılarak gerçekleştirilir. Adsorbentin, hedeflenen maddeyi çekmek veya bağlamak için belirli özelliklere sahip olmalıdır. Aktif karbon, zeolitler, silika jel ve polimerik reçineler gibi malzemeler yaygın olarak adsorbent olarak kullanılır. Adsorpsiyon sürecinde, hedeflenen maddeler adsorbentin yüzeyine çekilir ve fiziksel veya kimyasal bağlar aracılığıyla yapışır. Bu bağlanma süreci, çekici kuvvetler, elektrostatik etkileşimler veya kimyasal etkileşimler gibi çeşitli mekanizmalara dayanabilir. Adsorpsiyonun etkinliği, malzemenin yüzey alanı, sıcaklık, basınç ve çözelti bileşimi gibi faktörlere bağlı olabilir. Adsorpsiyon yöntemi birçok avantaj sunar. Bunlar arasında yüksek verimlilik, geniş uygulama yelpazesi, ölçeklenebilirlik ve düşük maliyet bulunur. Ayrıca, adsorpsiyon süreci geri kazanım veya geri dönüşüm amaçları için uygun olabilir. Ancak, adsorpsiyon yönteminin bazı sınırlamaları vardır. Bu sınırlamalar, adsorbent malzemenin doygunluğu, süreç süresi, rejenerasyon maliyetleri ve adsorbent malzemenin bertarafı gibi unsurları içerebilir. Sonuç olarak, adsorpsiyon yöntemi, çeşitli endüstriyel ve çevresel uygulamalarda kirlilik kontrolü ve ayrım için etkili bir tekniktir. Yüksek verimliliği, çok yönlülüğü ve maliyet etkinliği nedeniyle tercih edilir. Tekstil endüstrisi, kumaşlarda canlı ve çeşitli renkler elde etmek için boyaların kullanımına dayanır. Boyalar, malzemelerin istenen renklenmesine neden olan tekstil lifleri ile kimyasal bağ oluşturan maddelerdir. Bu boyalar, organik ve inorganik bileşikler olmak üzere iki ana kategoriye ayrılabilir. Organik boyalar, karbon bazlı bileşiklerden elde edilir ve doğal ve sentetik kaynaklardan elde edilebilir. Doğal organik boyalar genellikle bitkilerden, böceklerden veya diğer doğal kaynaklardan elde edilir. Örneğin, indigo bitkisinden elde edilen indigo ve cochinell böceğinden elde edilen cochinell, doğal organik boyaların örnekleridir. Öte yandan, sentetik organik boyalar laboratuvarlarda kimyasal süreçlerle üretilir. Sentetik boyalar, doğal boyalara kıyasla daha geniş bir renk yelpazesi, geliştirilmiş renk dayanıklılığı ve daha büyük bir stabilite sunar. İnorganik boyalar, isminde de belirtildiği gibi metal bazlı bileşiklerden oluşur. Bu boyalar, metal iyonları ile tekstil lifleri arasındaki çeşitli kimyasal reaksiyonlar yoluyla oluşturulur. İnorganik boyalar genellikle metal oksitleri veya tuzlardan oluşur. Krom esaslı boyalar, demir oksitleri ve titanyum dioksit gibi yaygın örnekler içerir. İnorganik boyalar, mükemmel ışık haslığı ve kimyasal stabiliteye sahip parlak ve yoğun renkler üretebilme yetenekleri nedeniyle değerlidir. Boyaların tekstil endüstrisinde kullanımı sadece estetik çekicilik elde etmeye yönelik değildir. Aynı zamanda, tüketicilerin giyim ve diğer tekstil ürünlerinde geniş bir renk ve tasarım yelpazesi arayışını karşılamak adına kritik bir rol oynar. Ancak, boyaların üretimi ve uygulanmasıyla ilişkilendirilen çevresel etkiyi düşünmek önemlidir. Tekstil endüstrisi, özellikle su kirliliği ve atık oluşumu açısından, boyaların çevresel ayak izi konusunda endişelerle karşılaşmıştır. Bazı boyalar, boyama süreci sırasında su kaynaklarına sızabilen zararlı kimyasalları içerebilir, bu da su ekosistemlerine ve insan sağlığına risk oluşturabilir. Bu endişelere yanıt olarak, çevre dostu veya sürdürülebilir boyama yöntemlerini geliştirmeye yönelik artan bir vurgu olmuştur. Bitkiler, meyveler ve sebzeler gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen doğal boyaların kullanımını teşvik etmek için çeşitli çabalar sürdürülmektedir. Doğal boyalar, biyolojik olarak parçalanabilir ve toksik olmama avantajına sahiptir, bu da çevresel etkiyi en aza indirir. Ayrıca, boya teknolojilerinde ve süreçlerindeki ilerlemeler, su tüketimini, enerji gereksinimlerini ve tehlikeli yan ürünlerin oluşumunu azaltmayı hedeflemektedir. Dijital baskı gibi teknikler ve "süperkritik karbon dioksitte boyama" gibi yöntemler, su kullanımını ve kimyasal atığı azaltma potansiyelleri nedeniyle ilgi görmektedir. Ek olarak, tekstil endüstrisinde sorumlu boya kullanımını teşvik etmek için düzenlemeler ve sertifikasyonlar uygulanmıştır. Global Organik Tekstil Standardı (GOTS) ve Oeko-Tex Standardı gibi standartlar, tekstil ürünlerinin çevresel ve sosyal sürdürülebilirlikle ilgili belirli kriterleri karşıladığından emin olur. Sonuç olarak, boyalar, tekstil endüstrisinin vazgeçilmez bileşenleridir ve kumaşlara canlı renkler ve estetik çekicilik sağlar. Boyalar, tekstilin görsel ve yaratıcı yönlerini güçlendirirken, endüstri üretim ve uygulama ile ilişkilendirilen çevresel zorluklarla başa çıkmalıdır. Sürdürülebilir uygulamaları benimseyerek, çevre dostu alternatifleri keşfederek ve sıkı düzenlemeleri uygulayarak, tekstil endüstrisi ekolojik etkisini en aza indirebilir ve daha sürdürülebilir bir geleceğe doğru ilerleyebilir. Boya maddelerinin üretim, kullanım ve imha aşamaları çeşitli çevresel etkilere neden olabilir. Bu etkilerden birincil endişe, boyaların su kirliliğine yol açabilmesidir. Boyama sürecinde kullanılan kimyasallar, atık su aracılığıyla su kaynaklarına sızabilir, su ekosistemlerine zarar verebilir. Bazı boyalar toksik veya kanserojen olabilir, bu da sucul organizmaların ölümüne, su kirliliğine ve ekosistem dengesinin bozulmasına neden olabilir. Ayrıca, boyaların üretimi ve kullanımı su ve enerji tüketimini artırır. Büyük miktarda su kullanımı su kıtlığına ve su kaynaklarının azalmasına katkıda bulunabilirken, genellikle fosil yakıtlara dayanan enerji tüketimi sera gazı emisyonlarına ve iklim değişikliğine katkıda bulunabilir. Boya üretimi ve uygulaması sırasında zararlı kimyasal emisyonlar, hava kalitesini tehlikeye atabilir ve insan sağlığını olumsuz etkileyebilir. Ek olarak, bazı boyaların geri dönüştürülmesi zor veya imkansız olabilir, atığın çevresel etkisini artırabilir. Bu çalışmada, MM boyar maddesinin sulu çözeltilerden uzaklaştırılması için düşük maliyetli bir malzeme olarak Fe3O4 bazlı kilin etkinliğini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Yapılan calışmalarda pH (3-10), işlem süresi (5-120 dk), başlangıç boyar madde konsantrasyonu (50-100-200 mg/L), adsorbent miktarı (0,05-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,75-1 g) ve işlem sıcaklığı (303-313 K) parametrelerinin adsorpsiyon kapasitesi üzerine etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda pH 7, 25 ˚C, 0,2 gram adsorban miktarı ve 100 mg/L boyar madde konsantrasyonu ile optimum adsorpsiyon verimi sağlanmıştır. Kil, adsorpsiyon öncesi ve sonrası Fe3O4 bazlı killerin yapısal özellikleri SEM, XRF, BET, XRD, FTIR ve TGA yöntemleri kullanılarak analiz edilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda yapılan hesaplamalar ile adsorpsiyon sonuçlarının Langmuir modeline daha uygun olduğu belirlenmiştir. Maksimum adsorpsiyon kapasitesi (qm), 25°C'de 52,63 mg/g, 30°C'de 53,48 ve 35°C'de 54,64 mg/g olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon kinetik analizlerine göre yalancı ikinci dereceye uygun olduğu görülmüştür. Negatif ΔG° değerleri adsorpsiyon işleminin kendiliğinden oluştuğunu ve hesaplanan ΔH° değerinin pozitif olması sürecin endotermik olduğunu göstermektedir. Elde edilen veriler ışığında, gelen kirlilik yükünün optimum şartlarda incelenen K- Fe3O4 bazlı killerin, MM boyasının farklı endüstriyel ortamlarda suyun arıtılması için etkili ve maliyet açısından uygun bir adsorban olarak potansiyeli sunduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Water pollution is defined as the contamination of water by any pollutant that comes into contact with water and has harmful effects on living organisms. One of the major water pollutants is organic and chemical dyes. Organic dyes are extensively used in facilities that produce leather, paint, paper, cosmetics, and textiles. However, dyes are among the significant wastewater pollutants since their presence can be observed even at very low concentrations in water. Approximately 5-10% of the dyes produced for painting and printing are discharged into the receiving environment along with wastewater. Various methods are available for removing dyes from aqueous solutions. Chemical and biological treatment methods are the first methods that come to mind. These methods include chemical precipitation, solvent extraction, membrane filtration, coagulation, reverse osmosis, and adsorption. These methods have disadvantages such as high cost, generation of additional pollutants, and low efficiency. However, adsorption is one of the most effective methods for removing dyes from wastewater and enabling their recycling. In the adsorption process, several physicochemical factors, such as pore structure, dye-adsorbent interaction, surface area of the adsorbent, pH, particle size, temperature, and contact time, influence the process. Adsorption is the process of a substance binding to the surface of another substance or particles. This process is widely used in various applications such as pollution removal, chemical separation, catalysis, and gas purification. The adsorption method is performed using a material called an adsorbent. The adsorbent should have specific properties to attract or bind the targeted substance. Materials such as activated carbon, zeolites, silica gel, and polymeric resins are commonly used as adsorbents. During the adsorption process, the targeted substances are drawn to the surface of the adsorbent and adhere through physical or chemical bonds. This binding process can rely on various mechanisms such as attractive forces, electrostatic interactions, or chemical interactions. The effectiveness of adsorption can depend on factors such as surface area of the material, temperature, pressure, and solution composition. The adsorption method offers several advantages. These include high efficiency, a wide range of applications, scalability, and low cost. Additionally, the adsorption process can be suitable for recovery or recycling purposes. However, there are certain limitations to the adsorption method. These limitations can include saturation of the adsorbent material, process duration, regeneration costs, and disposal of the adsorbent material. In conclusion, the adsorption method is an effective technique for pollution control and separation in various industrial and environmental applications. It is preferred due to its high efficiency, versatility, and cost-effectiveness. The textile industry relies on the use of dyes to achieve vibrant and diverse colors in fabrics. Dyes are substances that chemically bond with textile fibers, resulting in the desired coloration of the materials. These dyes can be classified into two main categories: organic and inorganic compounds. Organic dyes are derived from carbon-based compounds and can be obtained from both natural and synthetic sources. Natural organic dyes are extracted from plants, insects, or other naturally occurring substances. For instance, indigo, obtained from the indigo plant, and cochineal, derived from the cochineal insect, are examples of natural organic dyes. On the other hand, synthetic organic dyes are produced through chemical processes in laboratories. Synthetic dyes offer a broader spectrum of colors, enhanced colorfastness, and greater stability compared to natural dyes. Inorganic dyes, as the name suggests, are comprised of metal-based compounds. These dyes are created through various chemical reactions between the metal ions and the textile fibers. Inorganic dyes often consist of metal oxides or salts. Common examples include chromium-based dyes, iron oxides, and titanium dioxide. Inorganic dyes are valued for their ability to produce bright and intense colors that exhibit excellent lightfastness and chemical stability. The usage of dyes in the textile industry is not limited solely to achieving aesthetic appeal. It also plays a crucial role in meeting the demands of consumers who seek a wide array of colors and designs in their clothing and other textile products. However, it is important to consider the environmental impact associated with the production and application of dyes. The textile industry has faced concerns regarding the environmental footprint of dyes, particularly in terms of water pollution and waste generation. Some dyes contain harmful chemicals that can leach into water bodies during the dyeing process, posing risks to aquatic ecosystems and human health. In response to these concerns, there has been a growing emphasis on developing eco-friendly or sustainable dyeing methods. Efforts are underway to promote the use of natural dyes derived from renewable resources such as plants, fruits, and vegetables. Natural dyes offer the advantage of being biodegradable and non-toxic, minimizing the environmental impact. Furthermore, advancements in dyeing technologies and processes aim to reduce water consumption, energy requirements, and the generation of hazardous byproducts. Techniques like digital printing and "dyeing in supercritical carbon dioxide" are gaining traction due to their potential for reducing water usage and chemical waste. Additionally, regulations and certifications have been implemented to encourage responsible dye usage in the textile industry. Standards such as the Global Organic Textile Standard (GOTS) and the Oeko-Tex Standard ensure that textile products meet specific criteria regarding environmental and social sustainability. In conclusion, dyes are essential components of the textile industry, providing vibrant colors and aesthetic appeal to fabrics. While dyes enhance the visual and creative aspects of textiles, the industry must address the environmental challenges associated with their production and application. By embracing sustainable practices, exploring eco-friendly alternatives, and implementing stringent regulations, the textile industry can minimize its ecological impact and work towards a more sustainable future. The production, use, and disposal stages of dye substances can cause various environmental impacts. One primary concern is that dyes can lead to water pollution. The chemicals used during the dyeing process can seep into water sources through wastewater, causing harm to aquatic ecosystems. Some dyes can be toxic or carcinogenic, resulting in the death of aquatic organisms, water contamination, and disruption of ecosystem balance. Furthermore, the production and use of dyes increase water and energy consumption. The significant amount of water usage can contribute to water scarcity and depletion of water sources, while energy consumption, often relying on fossil fuels, can contribute to greenhouse gas emissions and climate change. Harmful chemical emissions into the air can also occur during the production and application of dyes, compromising air quality and negatively affecting human health. Additionally, some dyes may be difficult or impossible to recycle, exacerbating the environmental impact of waste. Therefore, the textile industry should embrace sustainable and eco-friendly practices, explore alternative dyeing methods, and exercise careful waste management to reduce the environmental effects of dye substances. This study investigates the relationship between our adsorbent material and dye pollution, how much dye load the adsorbent material can carry, and what behaviors it develops against this pollution through the adsorption process. The aim of this study is to observe the impact of dyes released into the environment consciously or unconsciously on the receiving medium. Additionally, this study examines how much load the adsorbent material can carry and analyzes its response to the incoming pollution. The removal efficiency of different parameters will be investigated using the adopted adsorption process. The effects of parameters such as pH, temperature, adsorbent quantity, initial dye concentrations, and contact time on the adsorption process were studied.
In this study, the aim is to evaluate the effectiveness of Fe3O4-based clay as a low-cost material for the removal of MM dye from aqueous solutions. The effects of various parameters such as pH (3-10), contact time (5-120 minutes), initial dye concentration (50-100-200 mg/L), adsorbent quantity (0.05-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.75-1 g), and process temperature (303-313 K) on the adsorption capacity were investigated. The results of the study indicate that optimum adsorption efficiency is achieved at pH 7, 25 °C, 0.2 grams of adsorbent quantity, and 100 mg/L initial dye concentration. The clay's structural characteristics before and after adsorption were analyzed using SEM, XRF, BET, XRD, FTIR, and TGA methods. Calculations based on experimental results revealed that the adsorption outcomes are more in line with the Langmuir model. The maximum adsorption capacity (qm) was calculated as 52.63 mg/g at 25°C, 53.48 mg/g at 30°C, and 54.64 mg/g at 35°C. According to adsorption kinetic analyses, it was observed to conform to the pseudo-second-order model. Negative ΔG° values indicate the spontaneity of the adsorption process, and the positive ΔH° value suggests that the process is endothermic. In light of the obtained data, it is believed that, under optimal conditions, K- Fe3O4-based clays investigated in this study have the potential to be an effective and cost-efficient adsorbent for the removal of MM dye from different industrial environments.