pH ve kompleksan bağımlı ağır metal adsorpsiyonunun incelenmesi ve modellenmesi
Investigation and modelling of heavy metal adsorption dependent upon pH and complexing agent
Yazar: KUBİLAY GÜÇLÜ
Danışman: PROF. DR. REŞAT APAK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1999
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Ağır metaller = Heavy metals ; Bakır = Copper ; Kadmiyum = Cadmium ; Kurşun = Lead ; Kırmızı çamur = Red mud

Özet:
ÖZET pH VE KOMPLEKSAN BAĞIMLI AĞIR METAL ADSORPSİYONUNUN İNCELENMESİ VE MODELLENMESİ Ağır metal adsorpsiyonunun pH ve kompleksan bağımlılığını araştırmak ve modellemek için, adsorban olarak kendisi de hidrate oksit-tipi bir atık (alümina üretiminde boksitin kalevi liç artığı) olan kırmızı çamur kullanılmıştır. Heterojen bir yüzeye sahip ucuz bir adsorban olan kırmızı çamur bir ölçüde toprak tabakalarında mevcut hidrate oksitleri temsil edebilmesi açısından tercih edilmiştir. Ağır metal iyonlarının adsorpsiyonunun modellenmesinde heterojen yüzeyli (kompozit) adsorbanların yeterince çalışılmamış olması literatürde boşluk doğurmakta ve bu çalışmayı çekici kılmaktadır. Modelleme çalışmalarında, kırmızı çamur üzerinde Pb(II), Cd(II) ve Cu(II) toksik divalent metal katyonlarının uygun pH'larda ve sabit sıcaklıkta adsorpsiyonu bu metallerin tek başına olduğu durumlarda, insan eliyle doğal çevreye yaygın biçimde katılan bir kompleksan olan EDTA (etilen diamin tetra asetik asit) varlığında, gerek metal ve metal-EDTA, gerekse EDTA ve metal-EDTA karışımları durumunda araştırılmış ve belirli matematiksel bağıntılarla ifade edilerek adsorpsiyon sabitleri hesaplanmıştır. Metal iyonlarının yüksüz yüzeye adsorpsiyonunda esas olarak kovalent yüzey kompleksi oluşumu, metal-EDTA komplekslerinin ve H2-EDTA anyonunun adsorpsiyonunda iyonik yüzey asosiasyonu varsayılmıştır. Doğal ortamlarda metaller tek başına bulunmadıklarından metal-ligand kompleksleri oluştuğu durumlarda adsorpsiyon olayını modelleyebilmek için stabilite sabitleri bilinen metal-EDTA kompleksleri ile çalışılmıştır. Karışım çözeltilerinde bağlı ve serbest EDTA'nın tayini için yeni bir spektrofotometrik analiz yöntemi geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Metallere, metal-EDTA komplekslerine ve Uganda ait adsorpsiyon denge sabitleri hesaplanmıştır. Her durum için türetilen model denklemler kullanılarak solid XIIadsorban fazında tutulan metal ve ligand konsantrasyonu ([Mads] ve [Lads]) değerleri hesaplanmış ve çizilen kuramsal ve deneysel izoterm eğrilerinin uyumluluğu modelleme çalışmalarının başarı ölçütü olarak belirlenmiştir. Yapılan hesaplamalar ve çizilen izoterm eğrileri, geliştirilen modellerin, ağır metallerin kırmızı çamur üzerinde modellenmesinin basit ikinci derece denklemleri yardımıyla başarılı bir şekilde yapılabildiğini göstermiştir. Tek başına metal, metal- EDTA kompleksi ve ligandın adsorpsiyonunun başarıyla modellenmesinin yanında karışım çözeltileri için de oldukça başarılı sonuçlar alınmıştır. pH değiştirilmeden (metal veya metal kompleks çözeltilerinin adsorbanla dengeye geldiği doğal pH değerlerinde) ve pH değiştirilerek (dışarıdan NaOH çözeltisi katıldığı) her durum için yapılan denemeler sonucu elde edilen değerlerle, geliştirilen model denklemler kullanılarak hesaplanan değerlerin uyumluluğu non-lineer regresyon analizi yöntemi kullanılarak bulunan korelasyon katsayısı değerleri ile test edilmiştir. Bu çalışmadan çıkan sonuçlar geliştirilerek ağır metallere özgü çevresel risk analizi çalışmalarına hizmet edebilir. XIII

Abstract:
SUMMARY INVESTIGATION AND MODELING OF HEAVY METAL ADSORPTION DEPENDENT UPON pH AND COMPLEXING AGENTS For the purpose of investigating and modeling the pH and complexant dependency of heavy metal adsorption, a hydrated oxide-type composite solid waste (caustic leach residue of bauxite in alumina manufacture), red mud, was used as adsorbent. Red mud is a cheap heterogeneous adsorbent which in a way represents hydrated oxide-type minerals in soil layers. Composite adsorbents having a heterogeneous surface have not been studied in detail for modeling heavy metal adsorption, and this literature gap further motivates this study. As a part of modeling studies, the adsorption of toxic heavy metals, i.e., lead(II), cadmium(II) and copper(II), on red mud at a suitable pH interval and constant temperature was investigated. The adsorption experiments were conducted for metal salts (nitrates), metal-EDTA complexes alone or in mixtures containing either metal plus metal-EDTA or ligand plus metal-EDTA. EDTA was selected as the modeling ligand because it is a widely used anthropogenic chelating ligand and present in natural waters, also the stability constants of its metal complexes are well known. For comparing the calculated adsorption values with experimental data, a novel spectrophotometric method for determining free and bound EDTA was developed. The adsorption equilibrium constants for the metal ions, metal-EDTA complexes and the ligand (EDTA) were calculated. For all studied cases, the solid adsorbant phase concentrations of the adsorbed metal, metal-EDTA complexes and free ligand were found using the derived model equations, and the compatibility of the experimental adsorption isotherms with the theoretically generated ones was accepted as sound modeling criterium. XIVThe precise compatibility of calculated and experimental adsorption values and isotherms indicated that heavy metal adsorption onto red mud could be effectively modeled by using simple quadratic equations. Very good results were obtained in modeling the adsorption of pure metal ions, metal-EDTA complexes and the ligand as well as of their mixtures (at their natural pH of equilibration with the sorbent). Satisfactory results of modeling adsorption were obtained when these mixtures were titrated with NaOH, i.e., when the equilibrium pH were changed by adding a strong base. Comparison of theoretical and experimental data pairs was made by means of non-linear regression coefficients. The findings of this study can be further developed so as to serve environmental risk assessment concerning the expansion of a heavy metal contaminant plume in soil. XV