Manyetik Halloysit Nanotüpler-Aljinat Hibrit Kürelerin Sentezlenmesi ve Karakterizasyonu: Sulu Ortamlardan Pb, Metilen Mavisi ve Direkt Mavi 71’in Gideriminde Kullanılması

In this study, alginate (ALG) hybrid spheres supported with magnetic halloysite nanotubes (MHNTs) were synthesized and Pb (II) heavy metal, methylene blue and direct blue 71 dyes reduction from wastewaters was provided. While “co-precipitation” method was used to provide halloysite nanotubes to gain magnetic property, the synthesis of halloysite-alginate hybrid spheres was done by “dripping” method. In order to determine surface characteristics of these synthesized particles, FT-IR, TGA, SEM, TEM, BET, VSM, particle size and zeta potential measurement analysis were done. After characterization, the adsorption of heavy metal lead’s, methylene blue and direct blue 71 dyes’ single and binary systems onto MHNT-ALG hybrid spheres in a batch reactor were conducted. Studies done with lead showed that when initial lead concentration is 500 mg/L, equilibrium adsorptions have been reached at a capacity of 274.37 mg/g (3.37 mg/m2). Again for the same 500 mg/L initial concentrations of methylene blue and direct blue 71 dyes, high equilibrium adsorption capacities such as 659,92 mg/g (8,12 mg/m2) and 365,51 mg/g (5,64 mg/m2), respectively were reached. Moreover, in order to examine the suitability of MHNT-ALG hybrid spheres to continuous systems, heavy metal lead adsorption experiments were conducted in a fixed bed reactor. Thomas Model was applied to the results of fixed bed experiments and it was found out that maximum bed adsorption is 248.53 mg/g (3.06 mg/m2) (C0,Pb = 250 mg/L). In addition to these, during continuous system experiments, a magnetic field was applied onto the MHNT-ALG hybrid spheres which show magnetic characteristics. This magnetic field provides particles to stay in bed without flowing away and also to be taken away from the bed after adsorption.ÖZET i ABSTRACT iii TEŞEKKÜR v İÇİNDEKİLER vi ŞEKİLLER ix ÇİZELGELER xviii SİMGELER VE KISALTMALAR xxi 1. GİRİŞ 1 2. TEMEL BİLGİLER 2 2.1. Atıksular 2 2.1.1. Ağır Metaller 2 2.1.1.1. Kurşun 2 2.1.2. Boyar Maddeler 3 2.1.2.1. Metilen Mavisi 4 2.1.2.2. Direkt Mavi 71 5 2.2. Atıksu Arıtım Yöntemleri 5 2.2.1. Ağır Metal İçeren Atıksuların Arıtımı 6 2.2.2. Boyar Madde İçeren Atıksuların Arıtımı 7 3. ADSORPSİYON TEORİSİ 8 3.1. Fiziksel Adsorpsiyon 8 3.2. Kimyasal Adsorpsiyon 8 3.3. İyonik Adsorpsiyon 8 3.4. Adsorpsiyona Etki Eden Faktörler 9 3.4.1. Adsorbentin Yapısı 9 3.4.2. Adsorbatın Yapısı 9 3.4.3. Çözeltinin pH Değeri 10 3.4.4. Sıcaklık 10 3.4.5. Temas Süresi 10 3.5. Adsorpsiyonda Kullanılan Adsorbentler 10 3.5.1. Halloysit 11 3.5.2. Aljinat 12 3.5.3. Manyetik Partiküller 12 4. DENEY SİSTEMİNİN MATEMATİKSEL TANIMLANMASI 14 4.1. Başlangıç Adsorpsiyon Hızının Hesaplanması 14 4.2. Denge Adsorpsiyon Veriminin Hesaplanması 14 4.3. Adsorpsiyon İzotermleri 14 4.3.1. Tek Bileşenli Langmuir Modeli 15 4.3.2. Çok Bileşenli Langmuir Modeli 15 4.3.3. Tek Bileşenli Freundlich Modeli 16 4.3.4. Çok Bileşenli Freundlich Modeli 16 4.3.5. Tek Bileşenli Redlich-Peterson Modeli 16 4.3.6. Çok Bileşenli Redlich-Peterson Modeli 17 4.4. Adsorpsiyon Kinetiği 17 4.4.1. Yalancı Birinci Dereceden Kinetik Model 17 4.4.2. Yalancı İkinci Dereceden Kinetik Model 18 4.4.3. Tanecik İçi Difüzyon Modeli 18 4.5. Dolgulu Kolonda Adsorpsiyon 19 4.5.1. Thomas Modeli 19 4.6. Hata Analizi 19 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 20 5.1. Manyetik Halloysit Nanotüplerin Sentezlenmesi 20 5.2. Manyetik Halloyist-Aljinat Hibrit Kürelerin Sentezlenmesi 20 5.3. Karakterizasyon Çalışmaları 21 5.4. Adsorpsiyon Çalışmaları 21 5.4.1. Kesikli Karıştırmalı Kaplarda Adsorpsiyon Çalışmaları 22 5.4.2. Dolgulu Kolonda Adsorpsiyon Çalışması 22 6. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME 23 6.1. Karakterizasyon Çalışmaları 23 6.1.1. FT-IR Analizi 23 6.1.2. TGA Analizi 24 6.1.3. Parçacık Boyut Analizi 28 6.1.4. Zeta Potansiyeli Ölçümü 30 6.1.5. SEM Analizi 31 6.1.6. TEM Analizi 34 6.1.7. BET Analizi 35 6.1.8. VSM Analizi 38 6.2. Kesikli Karıştırmalı Kaplarda Tekli Sistem Adsorpsiyon Çalışmaları 40 6.2.1. Pb(II) İyonu Adsorpsiyonu Çalışmaları 40 6.2.1.1. Çözelti pH’ının Etkisi 40 6.2.1.2. Adsorbent Miktarının Etkisi 43 6.2.1.3. Kompoziti Oluşturan Bileşenlerin Kütle Oranlarının Etkisi 46 6.2.1.4. Pb(II) Derişiminin Etkisi 48 6.2.1.5. Adsorpsiyon Denge Modellerine Uyumun İncelenmesi 51 6.2.1.6. Kinetik Modellere Uyumun İncelenmesi 56 6.2.1.7. Tanecik İçi Difüzyon Modeline Uyumun İncelenmesi 60 6.2.2. Metilen Mavisi Adsorpsiyonu Çalışmaları 62 6.2.2.1. Çözelti pH’ının Etkisi 62 6.2.2.2. Adsorbent Miktarının Etkisi 64 6.2.2.3. Kompoziti Oluşturan Bileşenlerin Kütle Oranlarının Etkisi 67 6.2.2.4. Metilen Mavisi Derişiminin Etkisi 70 6.2.2.5. Adsorpsiyon Denge Modellerine Uyumun İncelenmesi 73 6.2.2.6. Kinetik Modellere Uyumun İncelenmesi 77 6.2.2.7. Tanecik İçi Difüzyon Modeline Uyumun İncelenmesi 81 6.2.3. Direkt Mavi 71 Adsorpsiyonu Çalışmaları 83 6.2.3.1. Çözelti pH’ının Etkisi 83 6.2.3.2. Adsorbent Miktarının Etkisi 86 6.2.3.3. Kompoziti Oluşturan Bileşenlerin Kütle Oranlarının Etkisi 89 6.2.3.4. Direkt Mavi 71 Derişiminin Etkisi 92 6.2.3.5. Adsorpsiyon Denge Modellerine Uyumun İncelenmesi 94 6.2.3.6. Kinetik Modellere Uyumun İncelenmesi 98 6.2.3.7. Tanecik İçi Difüzyon Modeline Uyumun İncelenmesi 103 6.3. Kesikli Karıştırmalı Kaplarda İkili Sistem Adsorpsiyon Çalışmaları 104 6.3.1. Pb(II) İyonu-Metilen Mavisi Adsorpsiyonu Çalışmaları 104 6.3.1.1. Adsorpsiyon Denge Modellerine Uyumun İncelenmesi 109 6.3.2. Pb(II) İyonu-Direkt Mavi 71 Adsorpsiyonu Çalışmaları 111 6.3.2.1. Adsorpsiyon Denge Modellerine Uyumun İncelenmesi 115 6.4. Pb(II) İyonu Dolgulu Kolon Adsorpsiyonu Çalışması 118 7. SONUÇ VE TARTIŞMA 120 KAYNAKLAR 126 ÖZGEÇMİŞ 128Bu tez çalışması kapsamında, manyetik halloysit (MHLT) nanotüplerle desteklenmiş aljinat (ALJ) hibrit küreler sentezlenmiş ve adsorpsiyon yöntemiyle Pb(II) ağır metali, metilen mavisi ve direkt mavi 71 boyar maddelerinin atıksulardan giderimi sağlanmıştır. Halloysit nanotüplere manyetik özellik kazandırılması için “birlikte çöktürme” yöntemi, halloysit-aljinat hibrit kürelerin sentezlenmesi için de “damlatma” tekniği kullanılmıştır. Sentezlenen partiküllerin yüzey özelliklerinin belirlenmesi amacıyla FT-IR, TGA, SEM, TEM, BET, VSM, parçacık boyut ve zeta potansiyeli ölçüm analizleri yapılmıştır. Karakterizasyon çalışmalarından sonra kurşun ağır metali, metilen mavisi ve direkt mavi 71 boyar maddelerinin tekli ve ikili sistemlerinin MHLT-ALJ hibrit kürelere adsorpsiyonu çalışmaları kesikli karıştırmalı reaktörlerde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca kurşun ağır metali ile dolgulu kolon tipi reaktörde de çalışılmıştır. Kurşun ağır metali ile yapılan çalışmalarda 500 mg/L başlangıç kurşun derişiminde 274,37 mg/g (3,37 mg/m2) denge adsorpsiyon kapasitesine ulaşılmıştır. Yine metilen mavisi ve direkt mavi 71 boyar maddelerinin 500 mg/L başlangıç derişimlerinde sırasıyla 659,92 mg/g (8,12 mg/m2) ve 365,51 mg/g (5,64 mg/m2) gibi yüksek denge adsorpsiyon kapasitelerine ulaşıldığı görülmüştür. MHLT-ALJ hibrit kürelerin sürekli sistemlerde kullanılabilirliklerini incelemek amacıyla kurşun ağır metali ile gerçekleştirilen dolgulu kolon adsorsiyonun da ise elde edilen sonuçlar doğrultusunda uygulanan Thomas Modeli’ne göre maksimum kolon adsorpsiyonu 248,53 mg/g (3,06 mg/m2) olarak bulunmuştur (C0,Pb = 250 mg/L). Ayrıca manyetik özellik gösteren MHLT-ALJ hibrit kürelere uygulanan manyetik bir alan sayesinde dolgulu kolon sisteminden adsorpsiyon sırasında kaçmadan kalabilmeleri ve adsorpsiyon sonrasında sistemden kolayca ayrılabilmeleri sağlanmıştır