Fluoride adsorption onto alumina loaded natural zeolite from aqueous solution
Alümina yüklü doğal zeolit ile sulu çözeltilerden florür adsorpsiyonu
Yazar: SELİM SELİMOĞLU
Danışman: PROF. DR. ÜLKER BEKER ; YRD. DOÇ. DR. ESRA BİLGİN ŞİMŞEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının başlıca amacı adsorpsiyon yöntemi ile sulu çözeltilerde bulunan florür iyonunun konsantrasyonunu düşürmektir. Doğal zeolitinin (klinoptilolit) florüre olan ilgisinin artırılması için yüzey modifikasyon işlemi alumina ile gerçekleştirilmiş  ve modifiye zeolit adsorbent olarak florür gideriminde kullanılmıştır.
PH titrasyon analizlerinde Z-Al zeolitinin sıfır yük noktası (PZC) 4.62 ve zeta potansiyel ölçümlerinde ise isoelekriksel noktası benzer bir şekilde 4.58 olarak bulunmuştur. Seçilen pH değeri bu noktaların altında olduğunda zeolit yüzeyi pozitif yüklenmekte ve florüre olan ilgi belirgin bir şekilde artmaktadır.
Florür adsorpsiyonuna pH (3.0, 5.0 ve 7.0), sıcaklık (25, 40 ve 55 °C) ve adsorbent miktarının (1 - 350 mg) etkisi incelendi. En iyi florür giderimi için  pH'ın 3.0 ve en uygun sıcaklığın 25 °C olduğu saptanmıştır. İlave olarak, zeolite miktarının artırılması ise tüm çalışmalarda florür giderimine pozitif etki yapmıştır. Freundlich isoterminin deneysel dataya en uygun olduğu bulundu. Kimyasal sorpsiyonun florür gideriminde dominant olduğu görüldü. ΔH° ekzotermik reaksiyon (-25.32 kJ mol-1) oluştuğunu kanıtladı.  Yalancı ikinci dereceden modelin deneysel datalara daha iyi uyduğu kinetik çalışmalarla ispatlandı. Kimyasal sorpsiyonun florür adsorpsiyonunda hız belirleyici olduğu anlaşıldı. Doygun Z-Al'in rejenerasyonu H2SO4 ile gerçekleştirildi. Bir döngü için 76.4 % ve beş döngü sonucunda ise 62.9 % desorpsiyon elde edildi.
Box-Behnken deneysel tasarım ile elde edilen model denklem tatmin edici sonuçlar vermiştir. Florür gideriminde en önemli olumsuz etkiyi pH ve sıcaklık artışı yapmış, başlangıç florür konsantrasyonu artışı ise pozitif etki gösstermiştir. Elde edilen model denklemin güvenilirliğini anlamak için doğrulama deneyleri yapılmıştır. Model denklem kullanılarak florür giderim kapasitesi 2.348 mg g-1 olarak hesaplanmıştır. Kontrol deneylerinde model (2.261 mg g-1) ve deneysel (2.289 mg g-1) kapasite değerleri birbirlerine çok yakın bulunmuştur ve tasarım model denklemin güvenilirliği ve uygunluğu kanıtlanmıştır.

Abstract:
The major objective of this thesis was to reduce concentration of the fluoride ion in aqueous solution by adsorption method. Surface modification was performed with alumina to increase the affinity of the natural zeolite (clinoptilolite) to fluoride ion and then modified zeolite (Z-Al) was used as an adsorbent in fluoride removal processes.
PH titration analysis showed that point of zero charge of the Z-Al sample was 4.62 and isoelectrical point was found to be similar as 4.58 in zeta potential measurements. As the chosen pH value was below than these points, surface of the zeolite was charged positively and affinity to anionic fluoride apparently increased. 
Effect of the pH (3.0, 5.0 and 7.0), temperature (25, 40 and 55 °C) and amount of adsorbent (1-350 mg) were investigated for fluoride adsorption. The best fluoride removal was achieved with pH point of 3.0 and optimum temperature was determined as 25 °C. Additionally, increase in zeolite amount effected fluoride removal positively in all experiments. Freundlich isotherm was observed as best fitting to experimental data. ΔH° proved existence of exothermic reaction (-25.32 kJ mol-1). Kinetic studies demonstrated that pseudo second order model had a better fit of data. Chemisorption was found to be the rate limiting in fluoride adsorption. Regeneration of exhausted Z-Al was achieved with H2SO4. Desorption amounts were obtained as 76.4% for one cycle and 62.9 % after 5 cycles.
A model equation created with Box-Behnken experimental design submitted satisfactory results. Increase in pH and temperature had a major negative effect; however, increase in initial fluoride concentration had a major positive effect on fluoride removal. Confirmatory experiments were conducted to understand the reliability of model equation. The predicted fluoride removal capacity was found to be 2.348 mg g-1 by using model equation. The predicted model (2.261 mg g-1) and experimental (2.289 mg g-1) capacities were found close and the accuracy and appropriateness of the model were showed.