ŞEKER PANCARI KÜSPESİ KARBONİZASYON ÜRÜNÜNÜN SULU ÇÖZELTİLERDEN CD(II) İYONLARININ ADSORPSİYONUNDA KULLANILMASI

Abstract

Yüksek Lisans Tezi ŞEKER PANCARI KÜSPESİ KARBONİZAYON ÜRÜNÜNÜN SULU ÇÖZELTİLERDEN Cd(II) İYONLARININ ADSORPSİYONUNDA KULLANILMASI Buket MÜJDE Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı 2002, Sayfa: 53 Çevre kirlenmesine neden olan kirleticilerin başında ağır metaller gelmektedir. Ağır metallerin çoğu toksiktir ve sulu ortamlarda biyolojik olarak parçalanmayıp gıda zinciri ile canlıların bünyesinde birikerek canlı organizmalara zarar verirler. Kadmiyum cıvadan sonra gelen en toksik metallerden biridir. Kadmiyum başlıca alaşım üretimi, seramik, metal kaplama, fotoğrafçılık, pigment üretimi, boya endüstrisi ve kurşun üretim proseslerinin atık suları ile evsel atık sularda bulunur. Kadmiyum hidroksit ve karbonat şeklinde çöktürülerek atık sulardan uzaklaştırılabildiği gibi, iyon değiştirme ve solvent ekstraksiyonu gibi yöntemlerde kadmiyumun giderilmesinde kullanılabilmektedir.Ancak son zamanlarda, kadmiyumun atık sulardan uzaklaştırılmasında adsorpsiyon teknikleri de yaygın olarak kullanılmaktadır.Kadmiyum adsorpsiyon proseslerinde kullanılan adsorbentler bazı tarımsal artıklardan üretilen aktif kömürler, bazı selüloz içerikli maddeler ve bunların karbonizasyon ürünleri, bitümlü kömürler ve ticari aktif karbonlar olmak üzere çok çeşitli maddeler olabilmektedir. Bu çalışmada şeker pancarı küspesi karbonu (ŞPKK) kullanılarak sulu çözeltilerden Cd(il) iyonlarının adsorpsiyonu incelenmiştir. Şeker pancarı küspesi karbonu (ŞPKK), pancar küspesinin farklı sıcaklıklarda iki saat süreyle bir kül fırınında doğrudan karbonizasyonu ile elde edilmiştir. Cd(II) iyonlarının adsorpsiyon verimi üzerine temas süresi, çözeltinin pH'sı ve sıcaklığı, Cd(II) iyonlarının başlangıç konsantrasyonu ve adsorbent dozu gibi parametrelerin etkisi incelenmiştir. Değişik şartlarda elde edilen ŞPKK örneklerinin Cd(II) iyonlarını adsorplama verimi karbonizasyon sıcaklığı ile azalmaktadır. En etkin giderme pancar küspesinin 300 °C iki saat süreyle karbonizasyonundan elde edilen ŞPKK örneği ile sağlanmıştır. Şeker pancarı küspesinin 400 ve 500 °C'de iki saat süre ile karbonizasyonundan elde edilen ŞPKK örneklerinin Cd(II) iyonlarını adsorplama kapasitesi daha düşüktür. 1 00 mg/l'lik Cd(II) çözeltisinin 50 ml'si 0.25 g ŞPKK (300, 400 ve 500 °C'deki karbonizasyon sonucu elde edilen) ile 25 °C'de ve pH 6.3 'te 150 dakika süreyle temas ettirilmesi sonucunda mevcut Cd(II), % 65.3, % 59.4 ve % 56.0'sı giderilmiştir. Görüldüğü gibi farklı sıcaklıklarda elde edilen ŞPKK örneklerinin Cd(II) iyonlarını adsorplama verimleri arsında önemli bir fark bulunmamaktadır. Ancak düşük sıcaklıktaki karbonizasyonla elde edilen ŞPKK'nun adsorpsiyön veriminin yüksek olması proses ekonomisi bakımından bir avantaj olarak değerlendirilebilir. Cd(II) iyonlarının giderilmesinde dengeleme süresi 150 dakika olarak tespit edilmiştir. Cd(II) iyonlarının giderilme verimi pH ile önemli ölçüde değişmekle birlikte, proses için optimum pH 6.3 olarak belirlenmiştir. Cd(II) iyonlarının giderilme verimi kullanılan ŞPKK dozu ile artmaktadır. Ancak giderme verimindeki artış trendi dozdaki artış trendine göre daha yavaş olmaktadır. 5 g/l dozunda 300 °C'deki karbonizasyonla elde edilen ŞPKK'nun kullanılmasıyla 100 mg/1 konsantrasyonundaki çözeltiden Cd(II) iyonlarını % 65.3'ü giderilirken, dozun 8 kat artırılması ile ulaşılan verim % 96.1 olmaktadır. Diğer taraftan farklı sıcaklıklarda (25, 35 and 45 °C) gerçekleştirilen deney sonuçlar Langmuir ve Freundlich izotermlerine uygulanmıştır. İzoterm denklemlerindenhesaplanan sabitler, Cd(II) iyonlarının adsorpsiyon veriminin çözelti sıcaklığı ile arttığını göstermektedir. 300 °C'deki karbonizasyonla elde edilen ŞPKK örneklerinin maksimum adsorpsiyon kapasitesi (qmax) 25, 35 ve 45 °C'deki değerleri sırasıyla 38.02, 41.84 ve 50.76 mg/g olarak tespit edilmiştir. Diğer şartlarda elde edilen ŞPKK örneklerinin maksimum adsorpsiyon kapasitelerinin değerlerinde de benzer bir eğilim söz konusudur. Freundlich sabiti Kf'in değerleri de sıcaklıkla artmaktadır. 300, 400 ve 500 °C sıcaklıklardaki karbonizasyonla elde edilen ŞPKK örnekleri için deneylerin yapıldığı sıcaklık aralığında prosesin entalpi değişimi (AH0) değerleri sırasıyla 28.32, 22.52 ve 33.45 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Prosesin entalpi değişiminin pozitif işaretli alması qmax ve Kr değerlerinin sıcaklıkla artması Cd(II) iyonlarının ŞPKK ile adsorpsiyon prosesin endotermik olduğunu göstermektedir Cd(II) iyonlarının adsorpsiyonuna ilişkin olarak her bir ŞPKK için hesaplanan serbest entalpi değişimi (AG°) negatif işaretlidir ve mutlak değeri sıcaklıkla artmaktadır. Cd(II) iyonlarının farklı sıcaklıklarda elde edilen ŞPKK örnekleri ile adsorpsiyonunda elde edilen sonuçlar birinci ve ikinci dereceden kinetik modellere uygulanarak prosesin hız sabitleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçların II dereceden kinetik modelle daha iyi uyduğu gösteriliştir. Anahtar kelimeler: Cd(II) iyonları, Adsorpsiyon, Şeker pancarı küspesi, Karbonizasyon.SUMMARY Master Thesis THE USE OF SUGAR BEET PULP CARBON ON THE ADSORPTION OF Cd(II) IONS FROM AQUEOUS SOLUTIONS Buket MUJDE University of Fırat Graduate School of Natural Applied Sciences Department of Chemical Engineering 2002, Page: 53 Heavy metals are a most important pollutant groups which cause environmental pollution. The most of heavy metals are toxic and give the greatest danger to the organisms since they do not degrade into harmless end-products, accumulating by the food chain in the living cells. Cadmium is one of the most toxic metals behind mercury. It is primarily present in wastewaters from metallurgical alloying, ceramics, metal plating, photography, pigment works, textile printing industries, lead mine drainage and ewage sludge. The removal methods of cadmium from wastewaters include its precipitation as hydroxide and carbonate, ion exchange and solvent extraction. In recent years, adsorption technique have been widely investigated for the removal of cadmium from wastewaters. Adsorbent used in the cadmium adsorption are various materials including activated carbons prepared from some agricultural by products, somecellulosic wastes and their carbonisation products, bituminous coal and commercial activated carbons. In this study, the use of sugar beet pulp carbon (ŞPKK) in the adsorption of Cd(ll) ions from aqueous solutions have been investigated. To obtain sugar beet pulp carbon (ŞPKK), sugar beet pulp was directly carbonised in an oven at different temperatures for two hours. The effect of adsorption parameters such as contact time, pH and temperature of solution, initial concentration of Cd(II) ions and adsorbent dosage on the adsorption yield of Cd(II) ions have been studied. The adsorption yield of the ŞPKK samples decreased with increasing the temperature of carbonisation. The most effective removal was provided by ŞPKK samples obtained by carbonising sugar beet pulp at 300 °C for two hours. The Cd(II) ions adsorption capacities of ŞPKK samples obtained by carbonising sugar beet pulp at 400 ve 500 °C are lower. When 50 ml Cd(II) solutions of 100 mg/1 was separately contacted with 0.25 g ŞPKK samples (by carbonising sugar beet pulp at 300, 400 and 500 °C) at pH 6.3 and 25 °C for 150 min, 65.3 %, 59.4 % and 56.0 % was removed, respectively. As seen from the figures, there is no important differences among the adsorption yield of Cd(II) ions of ŞPKK samples obtained at different temperatures. However, that the yield of Cd(II) ions adsorption of ŞPKK samples obtained at lower temperature (300 °C) is higher can be appreciated as an advantage in the point of view the cost of processes. The equilibrium time for the adsorption process of Cd(II) ions was 1 50 min. Although the removal yield of Cd(II) ions was, to a large extent, dependent on the pH of solution, optimum pH for the process was determined as 6.3. Removal yield of Cd(II) ions increased with increasing the dosage of ŞPKK samples. However, the increase trend in the removal yield is slower than that of in the dosage of ŞPKK samples. As 65.3 % of Cd(II) ions was adsorbed from the solution of 100 mg/1 by using 5 g/l ŞPKK ( obtained at 300 °C), the removal yield was reached to 96.1 % when the dosage of the adsorbent was increased 8 times. On the other hand, the results of the experiments carried out at various temperatures were applied to the Langmuir and Freundlich isotherms equations. The constants calculated from isotherm equations showed that the yield of Cd(II) ions adsorption increased with a rise in the temperature of the solutions. Maximum adsorption capacities (qmax) at 25, 35 and 45 °C for theŞPKK obtained by the carbonisation carried out at 300 °C were calculated as 38.02, 41.84 and 50.76 mg/g, respectively. There is similar trend for the maximum adsorption capacities of the other ŞPKK samples obtained at different temperatures. Also, the values of Freundlich constant (Kf) increased with increasing the temperature of the solutions. Enthalpy changes for the ŞPKK samples obtained by the carbonisation earned out at the temperatures 300, 400 and 500 °C were found to be 28.32, 22.52 and 33.45 kJ/mol in the temperature range examined, respectively. That the enthalpy changes are positive and the values of qmax and Kf increase with a rise in the temperature shows that the adsorption process of Cd(II) ions by ŞPKK is endothermic. The free enthalpy change related to the Cd(II) ions adsorption process by each ŞPKK sample has negative sign and the values of them increased with increasing the temperature of the solutions. The results related to the adsorption process of Cd(II) ions by sugar beet pulp carbons (ŞPKK) obtained at different temperatures were fitted to the first and second order rate expressions to calculate adsorption rate constants. These results are obeyed to the second order rate expression better than the first order rate expression. Key words: Cd(II) ions, Adsorption, Sugar beet pulp, Carbonisation.