KİMYA-3 (ÇALIŞTAY 2012) Grup Adı: İLLAKİ BİTKİLER PROJE ADI ERİK ÇEKİRDEĞİNİN AĞIR METAL GİDERİMİNDE KULLANIMI. Proje Ekibi PROJE DANIŞMANLARI

Transkript

1 TÜBİTAK-BİDEB Kimya Lisans Öğrencileri Kimyagerlik, Kimya Öğretmenliği, Kimya Mühendisliği- Biyomühendislik Araştırma Projesi Eğitimi Çalıştayı KİMYA-3 (ÇALIŞTAY 2012) Grup Adı: İLLAKİ BİTKİLER PROJE ADI ERİK ÇEKİRDEĞİNİN AĞIR METAL GİDERİMİNDE KULLANIMI Proje Ekibi ÇİĞDEM ŞAHİN EDA SATMAZ PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Hüseyin KARACA Doç. Dr. Esvet AKBAŞ 29 HAZİRAN-08 TEMMUZ 2012 MALATYA

2 İÇİNDEKİLER SAYFA İÇİNDEKİLER... 1 PROJE ÖZETİ... PROJE AMACI.. GİRİŞ... MATERYAL ve YÖNTEM BULGULAR SONUÇLAR VE TARTIŞMA KAYNAKLAR... TEŞEKKÜRLER KISA ÖZGEÇMİŞ

3 ÖZET Bu çalışmada erik çekirdeği kabuğundan elde edilen adsorbentin ağır metal gideriminde kullanımının incelenmesi gerçekleştirildi. Öncelikle kabuğun yapısal özelliği hakkında bilgi sahibi olmak için FTIR spektrumu alındı. Kabuğun etkinliğini araştırmak için kayısı çekirdeği kabuğundan elde edilen aktif karbon ile kıyaslandı. İki adsorbentin etkinliğini incelemek için Hg(II) ve Pb(II) çözeltileri hazırlandı. Bu adsorbentler çözeltilere ilave edildi. 2.5 saat sonra çözeltilerin UV spektroskopisinde analizleri yapıldı. PROJENİN AMACI Ticari adsorbentlere alternatif olarak tarımsal atıklardan elde edilen adsorbentin ağır metal gideriminde kullanılması. 1. GİRİŞ Erik, gülgiller (Rosaceae) familyasından Prunus cinsinden ve meyvesi yenen bazı ağaç türlerinin genel adıdır. Günümüzde erik dünyanın birçok bölgesinde yaygın bir şekilde bulunmaktadır. Özellikle de yeryüzünün daha çok soğuk ılıman, ılıman ve sıcak ılıman kuşaklarında yayılmış bulunmaktadır. Bütün dünyadaki erik çeşitlerinin sayısı, 2.000'den fazladır. Türkiye'de yetiştirilen çeşitlerin sayısı da 200'ün üstündedir. Bu yüzden farklı iklim bölgelerinde de bulunmaktadır [1,2]. Kentsel yaşamla birlikte çevre kirliliği sorunu ortaya çıkmış ve endüstriyel gelişmeye paralel olarak artış göstermiştir. Hızlı nüfus artışıyla birlikte yaşam kaynakları daha fazla kirlenmeye başlamıştır. Bu durum ekosistemin dengesine olumsuz yönde etki eden bir hal almıştır [3]. Doğal dengeyi tehdit eden kirletici unsurlar şu şekilde gruplandırılabilir. Organik maddeler, endüstriyel atıklar, petrol türevleri, yapay tarımsal gübreler, deterjanlar, radyoaktivite, atık ısı, pestisitler, inorganik tuzlar ve yapay organik kimyasal maddeler. Ağır metaller bu sınıflandırmaya göre, endüstriyel atıklar ve bazı pestisitler içinde yer alıp ekolojik dengeyi tehdit eder düzeydedir [4,5].Günümüzde sınırlı su kaynaklarının artan ihtiyaçları karşılayabilmesi; bu kaynakların korunması ve dikkatli kullanımının yanı sıra, kullanılmış suların geri kazanımının da sağlanması ile mümkün olacaktır. Atık sulardan organik ve inorganik kirleticileri arıtarak su ve atık suların temizlenmesinin Cr 6+, Cu 2+, Pb 2+, Cd 2+, Ni 2+ gibi 2

4 ağır metalleri ve Au 3+, Ag + gibi değerli metalleri de geri kazanarak bir hammadde gibi tekrar kullanılmasını sağlamaktadır. Ayrıca, sağlık açısından çok önemli olduğu gibi, çevresel, endüstriyel ve ekonomik açıdan da büyük bir avantaj olacaktır [6]. Bu kazanımları yapmanın çeşitli yöntemleri vardır. Bu yöntemler içerisinde en yaygın olarak kullanılanı ise adsorpsiyondur. Adsorpsiyon, bir katı ya da bir sıvının sınır yüzeyindeki derişim değişmesi olayıdır. Derişimin artmasına pozitif adsorpsiyon, azalmasına ise negatif adsorpsiyon denir [7]. Burada gaz ya da çözünen maddeye adsorplanan, bunları adsorplayan katı ya da sıvıya ise adsorplayıcı ya da adsorban denir. Adsorplanan ve adsorbandan oluşan karışıma da adsorpsiyon sistemi denir. Absorpsiyon, madde veya enerjinin bir ortamdan kısmen yakalanmasıdır. Absorpsiyon ve adsorpsiyon olaylarının her ikisi de oluşuyorsa bu olay sorpsiyon olarak adlandırılır [7,8]. Adsorpsiyon sırasında, yüzey kuvvetlerinin dengelenmesinde, yüzeyde bulunan aktif merkezler rol oynamaktadır. Aslında bir adsorbentin tüm yüzeyi adsorpsiyon için elverişli değildir. Yüzeydeki aktif merkezlerin sayısının artışına bağlı olarak adsorpsiyon etkinliği artmaktadır. Adsorpsiyon işlemi, yüzeydeki aktif merkezler veya gözenekler, adsorplanan madde molekülleri ile doygun hale gelene kadar devam eder. Adsorpsiyon prosesi dinamiktir ve dengeye ulaşıldığında adsorpsiyon durur. Denge halinde yüzeye adsorplanan moleküllerin hızı yüzeyden ayrılan (desorplanan) moleküllerin hızına eşittir [9]. Katı yüzeyindeki adsorpsiyon işlemi, difüzyon kinetiğine bağlı olarak gerçekleşmektedir. Derişim değişimine bağlı olarak gerçeklesen difüzyon işlemi iki şekilde gerçekleşir[10]. Bunlar; 1. Film Difüzyonu: Adsorbent (katı) yüzeyinde oluşan ince sıvı filmi içinde bulunan adsorbantın (sıvı fazdaki moleküller) adsorbent yüzeyine difüzyonu. 2. Por Difüzyonu: Adsorbat molekülünün çapına, derişimine vb. diğer şartlara bağlı olarak adsorbent yüzeydeki gözeneklerin içerisine doğru difüzyonudur. Çözünmüş partiküller ile adsorpsiyon yüzeyi arasındaki çekim kuvvetleri türüne bağlı olarak üç tür adsorpsiyon tanımlanmaktadır [11]. Bunlar; 1. Fiziksel Adsorpsiyon 2. Kimyasal Adsorpsiyon 3. İyonik Adsorpsiyon 3

5 Adsorpsiyon işleminin ilerleyişi, adsorbant ve adsorbentin etkileşimine ve oluşturdukları sistemin özelliklerine bağlıdır. Farklı kimyasal yapıdaki maddeler farklı adsorpsiyon özellikleri gösterirler. Adsorpsiyon işleminde çok sayıda adsorbent kullanılmaktadır. Bunlar arasında tüm dünyada atık su arıtımında en yaygın olarak kullanılan aktif karbondur. Fakat maliyetinin yüksekliği kullanımında kısıtlamalara sebep olmaktadır. Aktif karbon aynı zamanda inorganik maddelerin giderim performansını artırmak amacıyla kompleks yapıcı ajanlar da içermektedir. Bu durum maliyet bakımından uygun olmadığı için küçük ölçekli sanayilerde aktif karbon kullanımını sınırlar. Belirtilen bu sorunlara bağlı olarak son yıllarda aktif karbon yerine alternatif olabilecek doğal, endüstriyel ve tarımsal atıklardan elde edilen adsorbentler kullanılmaktadır. Bu adsorbentler düşük maliyetleri, arıtımda gösterdikleri verimleri nedeniyle dikkat çekmektedirler [12]. Adsorbentler genel olarak doğal ve yapay olmak üzere iki gruba ayrılır. Bunlar; 1. Doğal adsorbentler; Doğada bol miktarda bulunan adsorbentlerdir. Bunlar; kitosan, zeolit, kil, selüloz, perlit gibi maddelerdir. 2. Yapay adsorbentleri; Yapay adsorbentler aktif karbon, aktif alumina, reçine ve silika jellerden oluşmaktadırlar.yapay adsorbentler, tarımsal (ksantat, pirinç kabuğu, buğday kabuğu, kakao kabuğu, fındık kabuğu, antep fıstığı kabuğu, ayçiçeği çekirdeği kabuğu) ve endüstriyel adsorbentler (kâğıt endüstrisi atık suyundan ekstraksiyon işlemi ile elde edilen lignin, marangoz atölyelerinden elde edilen talaş) olarak ikiye ayrılır. 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Kullanılan Materyaller Proje sürecinde kullanılan materyal ve kimyasallar aşağıda verilmiştir. 2 kg kurutulmuş erik çekirdeği 250 g aktif karbon (Malatya yöresinden elde edilmiş kayısı çekirdeği kaynaklı) 1 adet FTIR cihazı 1 adet UV spektroskopisi 5 L destile su 2 adet beher (1 tane 250 ml, 1 tane 500 ml) 6 adet balon joje 4

6 1 adet spatül 1 adet baget 4 adet saat camı 1 adet havan 1 adet hassas terazi 250 gr Pb(NO 3 ) 2 stok çözeltisi 250 gr Cu(NO 3 ) 2 stok çözeltisi 250 gr Hg(NO 3 ) 2 stok çözeltisi Parafilm 1 adet Piset 1 adet Etüv 1 kutu ph kağıdı 1 kutu mavi süzgeç kağıdı Şeffaf deney eldiveni 1 adet mezür 1 adet değirmen 3 adet huni 1 adet tüplük 6 adet cam tüp 2.2. Erik Çekirdeği Kabuğunun Eldesi Kurumuş mürdüm eriğinden çekirdekler ayrıldı. Ayrılan çekirdeklerden kabukları kırılarak ayıklandı. Kabuklar elle ön işleme tutularak kabaca ezildi, elde edilen kabuklar değirmende iyice öğütüldü. Bu kabuklar C de 15 dakika etüvde bekletildi. Sonra öğütülen kabuklar elekten geçirilerek küçük boyutta kabukların elde edilmesi sağlandı. Daha sonra kabuk yapısındaki organik grupların uzaklaştırılması için yıkanarak etüvde C de 1 gece bekletildi Çözeltilerin Hazırlanması Pb(II) Çözeltisi Hazırlanması Katı haldeki Pb(NO 3 ) 2 den g tartıldı. Tartılan madde balon jojeye konularak distile su ile 250 ml ye tamamlandı. Çözeltinin ph ı 7, sıcaklığı C de arasında değişmektedir. Bu işlemler uygulanarak üç tane 7.5 mg/l lik stok çözelti hazırlandı. 5

7 Hg(II) Çözeltisi Hazırlanması Pb(II) çözeltisi hazırlanmasındaki aşamaların aynısı uygulandı. Çözeltinin ph ı 7, sıcaklığı C de arasında değişmektedir. Bu işlemler uygulanarak üç tane 7.5 mg/l lik stok çözelti hazırlandı Adsorpsiyon İşlemi Hazırlanan aynı iki stok çözeltiden birine erik çekirdeği kabuğu, diğerine aktif karbon (kayısı çekirdeğinden elde edilen) ilave edilmiştir (Tablo 1). Tablo 1. Çözeltilere eklenen adsorbent miktarları Kullanılan metal Erik Kabuğu (g) Aktif Karbon (g) çözeltisi Hg (II) Pb(II) Adsorbentlerin ilave edilmesiyle birlikte çözeltiler 150 dakika bekletildi. Bu süre içinde 15, 30, 45 ve 60 dakika ara ile ph kontrolleri yapıldı Kabuğun Kimyasal Özelliklerinin Belirlenmesi Kabuğun kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla FTIR cihazı kullanılmıştır (Şekil 1). Analizler sonucunda kabuğun yapısında bulunan fonksiyonel gruplar hakkında bilgi sahibi olunmuştur. Şekil 1 FTIR cihazı 2.6. Erik Çekirdeği Kabuğu ve Aktif Karbonun Adsorpsiyon Kapasitesinin Belirlenmesi 6

8 Adsorbentsiz stok çözeltileri UV spektroskopisinde okutularak absorbans değerleri elde edildi (Şekil 2). Şekil 2 UV Spektroskopisi Daha sonra 2 saat bekletilen çözeltiler süzüldü. Çözeltiler UV spektroskopisinde okutularak absorbans değerleri elde edildi. Bu işlem her bir çözelti için tekrarlandı. UV spektroskopisinde her bir element için Tablo 2 deki dalga boylarında çalışıldı. Tablo 2 Elementlerin dalga boyu Hg(II) Pb(II) Dalga Boyu (nm) BULGULAR 3.1. Erik Kabuğunun Kimyasal Özellikleri 7

9 Erik kabuğunun kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla FTIR analizi yapıldı. FTIR analizi sonucu Şekil 3 deki spektrum elde edildi cm cm -1 Şekil 3 Erik kabuğu spektrumu FTIR spektrumu incelendiğinde cm -1 arasındaki geniş yayvan band erik çekirdeğinin kabuğunda bulunan suyun yapısındaki OH grubundan kaynaklanmaktadır cm -1 deki keskin pik ise yapıda bulunan yağ esterlerinin varlığını göstermektedir Erik Çekirdeği Kabuğu ve Aktif Karbon Adsorpsiyon Kapasiteleri Hazırlanan stok çözeltilere adsorbentlerin eklenmesiyle 2.5 saat süresince ph değerleri elde edilmiş ve Tablo 3, 4 deki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 3. Adsorbent olarak çekirdek kabuğu kullanıldığında çözeltideki ph değişimleri 8

10 Süre (dk) Hg(II) Pb(II) Tablo 4. Adsorbent olarak aktif karbon kullanıldığında çözeltideki ph değişimleri Süre (dk) Hg(II) Pb(II) Kabuk ile aktif karbonun etkisinin incelenmesi için UV cihazında ölçüm gerçekleştirildi. Bu ölçüm sonucu Tablo 5 ve Tablo 6 daki absorbans değerleri elde edildi. Tablo 5. Çekirdek kabuğu için absorpsiyon değerleri Çözelti Başlangıç Absorpsiyonu Adsorpsiyon sonrası Absorpsiyon Hg(II) Pb(II) Tablo 6. Aktif Karbon için absorpsiyon değerleri Çözelti Başlangıç Absorpsiyonu Adsorpsiyon sonrası Absorpsiyon Hg(II) Pb(II) Elde edilen absorbans değerleriyle konsantrasyon arasında (1) deki denklem ile bağlantı kurularak sonuca gidildi. 9

11 A= ε*l*c (1) A; Absorbans değeri ε; Molar absorpsiyon katsayısı (L/mol/cm) l; Işığın çözelti içinde aldığı yol (cm) C; Çözelti konsantrasyonu ( mol/l) 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Yapılan bu çalışmada UV analizi sonucu elde edilen verilere dayanarak erik çekirdeği kabuğunun aktif karbon kadar iyi bir adsorbent olmadığı gözlemlenmiştir. Yaptığımız ölçüm yeterli hassasiyette olmadığından adsorpsiyon kapasitesinin Atomik Absorpsiyon Spektroskopisi (AAS) ya da ICP-OES cihazında tekrardan yapılarak kesin bir kanıya varılabilir. FTIR spektrumunda yayvan bir OH grubunun bulunması yapının yeteri kadar kurumadığının göstergesi olabilir. Yapıdaki suyun tam olarak uzaklaştırılamaması, partikülümüzün yeteri kadar öğütülememiş olması ve degas yönteminin kullanılmaması sonucun istenen değerlerden uzak olmasını doğurmuştur. Belirttiğimiz olumsuz yönlere dikkat edilerek deneyin tekrarlanması ile daha kesin sonuçlar elde edilebilir. Son olarak FTIR spektrumunda yağ ester bandı görülmüştür. Bu banttan kabukta yağ esteri bulunduğu sonucuna varılmıştır. Gelecekteki çalışmalarda kabuktaki yağ miktarı ölçülerek yakıt olarak kullanımındaki verimi irdelenebilir. KAYNAKLAR [1] tr.wikipedia.org/wiki/erik 10

12 [2] ÖZÇAĞIRAN, R., Türkiye de mevcut erik türlerinin teşhisi ve bunlardan Prunus cerasifera Ehrh. Türüne ait bazı çeşitlerin (Can erikleri) meyve özellikleri. Ege Üniv. Ziraat Fak., Yayın No:276, İzmir,1976. [3] GARDEA-TORRESDEY, J.L., HERMANDEZ, A., TIEMANN, K.J., BIBB, J., RODRIGUEZ, O., Adsorption of toxic metal ions from solution by inactivated cells of Larrea tridentata (Creosote Bush), J. of Hazardous Substance Research, Volume 1, [4] KAYA, S., PİRİNÇCİ, I., BİLGİLİ, A., Çevre Bilimi ve Çevre Toksikolojisi, Medisan Yayın Serisi, Yayın No:36, [5] HAMMAND, P. B. et al., Toxicology, 2th Ed. McMillan Publishing Co. Inc., , New York, [6] YURTSEVER M., değerli ve ağır metallerin adsorpsiyonu için valeks ve kebrako tanin reçinelerinin geliştirilmesi (Doktora Tezi), Sakarya Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı, Mart [7] VOYUTSKY S.,1978, Cooloid, Mir. Publishing, Moscow, 560p. [8] CEBE M., 1987, Fizikokimya, Cilt:I, Uludağ Üniversitesi Yayınları, 684s. [9] GÜNDÜZOĞLU G., Şeker pancarı küspesinden aktif karbon üretimi ve karakterizasyonu (Yüksek Lisans Tezi), Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı, Eskişehir, [10] TANTEKİN T., Malatya tekstil fabrikalarından kullanılan çeşitli boyaların atık kayısıdan elde edilen aktif karbon ile adsorpsiyonunun incelenmesi (Yüksek Lisans Tezi), İnönü Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, Malatya, [11] DOĞAN A., Bir pamuklu tekstil fabrikası atıksuyunun adsorpsiyon yöntemiyle arıtılabilirliğinin incelenmesi (Yüksek Lisans Tezi) Anadolu Üniversitesi, Eskişehir, [12] ALYÜZ, B., Veli, S., Ağır metal içeren atıksuların arıtımında kullanılan düşük maliyetli adsorbentler, Journal of Engineering and Natural Sciences Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 3, , TEŞEKKÜRLER 11

13 Çalıştaya maddi destekte bulunduğundan dolayı TÜBİTAK-BİDEB e, Çalıştay koordinatörü: Prof. Dr. Mehmet AY a sunuları ve çalışmalarıyla bizleri aydınlatan danışmanlarımız: Prof. Dr. Hüseyin KARACA, Doç. Dr. Esvet AKBAŞ a, bilimsel çalışmalara faklı bakış açıları ile yaklaşmamıza katkıda bulunan Uğur DEĞİRMENCİOĞLU na, Teknisyen Uğur YÜCEL e, tüm çalıştay ekibine ve İnönü Üniversitesi ne teşekkür ederiz GRUP ÜYELERİNİN ÖZGEÇMİŞLERİ Çiğdem ŞAHİN 1989 yılının Kasım ayında Giresun da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Kuluncak İlköğretim okulunda, lise eğitimini ise 2006 yılında Espiye 75. Yıl Lisesinde tamamladı yılında Yıldız Teknik Üniversitesi Biyomühendislik bölümünü kazandı yılında mezun oldu. Laboratuvar stajını İstanbul Üniversitesi DETAE Moleküler Tıp Anabilim dalında ve İstanbul Teknik Üniversitesi Onkim Kök Hücre laboratuvarında, işletme stajını Gül Biyoloji Laboratuvar şirketinde yaptı. Bildiği yabancı dil İngilizcedir. Eda SATMAZ 1991 yılının Ocak ayında Hatay İskenderun da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Üçgüllük İlköğretim okulunda, lise eğitimini ise 2008 İskenderun Süper Lisesinde tamamladı yılında Cumhuriyet Üniversitesi Kimya Mühendisliği bölümünü kazandı yılında mezun oldu. Laboratuvar ve işletme stajını İskenderun Demir Çelik Fabrikasında (İSDEMİR) yapmıştır. Bildiği yabancı diller İngilizce ve Arapça dır. 12