Kabak Çekirdeği Kabuğundan Elde Edilen Aktif Karbonun Sulu Çözeltiden Boyarmadde Gideriminde Değerlendirilmesi

Transkript

1 Afyon Kocatp Ünivrsitsi Fn v Mühndislik Bilimlri Drgisi Afyon Kocatp Univrsity Journal of Scinc and Enginring AKÜ FEMÜBİD 16 (2016) Özl Sayı ( ) AKU J. Sci. Eng. 16 (2016) Özl Sayı ( ) Kabak Çkirdği Kabuğundan Eld Ediln Aktif Karbonun Sulu Çözltidn Boyarmadd Gidrimind Dğrlndirilmsi İlknur Dmiral Eskişhir Osmangazi Ünivrsitsi, Mühndislik Mimarlık Fakültsi, Kimya Mühndisliği Bölümü, Eskişhir. posta: idmiral@ogu.du.tr Anahtar klimlr Aktif karbon; Boyarmadd; Adsorpsiyon Özt Bu çalışmada kabak çkirdği kabuğundan kimyasal (H 3 PO 4 ) aktivasyon yöntmi il ld diln aktif karbonun sulu çözltidn Asit Mavi 193 boyarmaddsinin gidrimindki tkinliği araştırılmıştır. Adsorpsiyon dnylrind Asit Mavi 193 ün aktif karbon adsorpsiyonuna, başlangıç ph ının (1,42 8,6), başlangıç boya drişiminin ( mg/l), sıcaklığın (25, 35, 45 o C) v adsorban miktarının (0,025 0,3 g) tkilri inclnmiştir. Optimum adsorpsiyon koşulları; başlangıç ph ı 1,42; sıcaklık 45 o C v adsorban miktarı 0,2 g olarak blirlnmiştir. 25 o C sıcaklığındaki dny sonuçları sözd I v sözd II. mrtb kintik modllr uygulanarak hız sabitlri hsaplanmıştır. Eld diln sonuçların sözd II. mrtb kintik modl uyduğu gözlnmiştir. Eld diln dng vrilri Langmuir v Frunlich adsorpsiyon izotrmlrin uygulanarak izotrm sabitlri hsaplanmıştır. Dnysl sonuçların Langmuir şitliğin daha iyi uyduğu görülmüştür. Çalışmalar sonucunda kabak çkirdği kabuğundan ld diln aktif karbonun, sulu çözltidn boyarmadd gidrimind tkili olduğu blirlnmiş v adsorban olarak kullanılabilirliği ortaya konmuştur. Rmoval of Dystuff from Aquous Solutions by Activatd Carbon Prpard fom Pumpkin Sd Shll Kywords Activatd carbon; Dystuff; Adsorption Abstract In this study, th activatd carbon was prpard from pumpkin sd shlls by chmical activation (H 3 PO 4 ) and th fficincy of th prpard activatd carbon on th rmoval of Acid Blu 193 from aquous solution was invstigatd. Th ffcts of th initial ph (1,42 8,6), initial acid blu concntration ( mg/l), tmpratur (25, 35, 45 o C) and th adsorbnt dosag wr xamind in adsorption studis. Th initial ph of 1.42, tmpratur of 45 o C and th adsorbnt dosag of 0.2 g wr dtrmind as th optimum adsorption paramtrs. Th psudo first ordr and th psudo scond ordr kintic modls wr usd to tst th xprimntal data at 25 o C. Th xprimntal data fittd th psudo first ordr kintic modl. Adsorption isothrm study was carrid out on Langmuir and Frundlich isothrm modls. Th rsults indicat that Langmuir quation is wll dscribd with th adsorption data for acid blu 193 adsorption. Th rsults show that th activatd carbon from pumpkin sd shlls can b ffctivly applid for th rmoval of Acid Blu 193 from aquous solutions. Afyon Kocatp Ünivrsitsi 1. Giriş Dünya çapındaki nüfus artışı v ndüstriyl glişmy parall olarak artan çvr kirliliği yaşam kaynaklarının daha çok kirlnmsin ndn olmaktadır. Yaşam kaynağı olan su, ndüstriyl faaliytlr sonucu açığa çıkan kirlticilr il hava v toprağa oranla daha yoğun bir kirlnmy uğramaktadır (Bhatnagar and Sillanpaa 2010). Kullanım miktarı v kimyasal bilşimi göz önün alındığında boyarmadd ürtn ya da tüktn ndüstrilrdn kaynaklanan atık sular diğr sktörlr gör daha fazla kirltici özlliğ sahiptir. Günümüzd in üzrind farklı çşitt snttik boyarmadd kullanılmakta v yılda tonun üzrind boya ürtimi yapılmaktadır (Singh t al. 2005). Boyarmaddlr tkstil, kağıt, kozmtik gibi çok çşitli ndüstrilrd kullanılmaktadır (Dniz, 2013). Karıştıkları su kaynaklarının hm rngini dğiştirdiğindn hm d çvr v sağlık açısından thlik oluşturduklarından, bulundukları

2 atıksulardan arıtılmaları grkir. Boyarmaddlri içrn atık suların arıtımında koagülasyon, flokülasyon, lktrokimyasal arıtım v adsorpsiyon gibi yöntmlr kullanılmaktadır. Blirtiln yöntmlr arasında adsorpsiyon işlmi kolay v ucuz bir şkild uygulanabildiğindn v n tkin arıtım yöntmlrindn biri olduğu için boya gidrimind n çok kullanılan yöntm olarak bilinmktdir. Adsorpsiyon yöntmind n çok kullanılan adsorban aktif karbondur. Aktif karbonun gniş yüzy alanı, göznkli yapısı, yüksk adsorpsiyon kapasitsi v yüzy raktivitsi bu adsorbanı adsorpsiyon çalışmalarında cazip kılmaktadır. Aktif karbonlar çşitli karbon içrikli hammaddlrdn ürtilmktdir. Ucuz, zngin karbon içrikli, çok miktarda yrl olarak tmin dilbiln, düşük kül miktarına sahip biyokütllrdn konomik olarak aktif karbonlar ld dilmktdir (Girgis t al. 2007). Aktif karbonların kalitsi v karaktristik özlliklri hammaddnin fiziksl v kimyasal özlliklrin v aktivasyon mtoduna bağlı olarak farklılık göstrmktdir (Lua and Yang 2005). Bu çalışmada kabak çkirdği kabuğundan kimyasal aktivasyon sonucu ld diln aktif karbonun boyarmadd gidrimindki tkinliği araştırılmıştır. Araştırmada tkstil ndüstrisind v kağıt rnklndirilmsind yüksk miktarda kullanılan Asit Mavi 193 boya olarak sçilmiştir. Boya gidrimi üzrin başlangıç ph drişimi, başlangıç boya drişimi v sıcaklığın v adsorban madd miktarının tkisi inclnmiştir. 2. Matryal v Mtot Aktif karbonun hazırlanması aşamasında kabak çkirdği kabuğu 2:1 (g H 3 PO 4 /g kabak çkirdği kabuğu) mdirm oranında, 75 o C d 6 saat sür il ısıtıcılı manytik karıştırıcıda hazırlanmıştır. Süzülrk ayrılan katı kısım 24 saat tüvd kurutulmuştur. Aktivasyon işlmind bir tüp fırın için yrlştirilmiş olan raktör kullanılmıştır. Raktör azot gazı ortamında 10 o C/dk ısıtma hızı il 500 o C y kadar ısıtılmış v bu sıcaklıkta 1 saat bkltilmiştir. Bu sür sonunda fırın azot gazı ortamında soğutulmuştur. Aktif karbon distil su il yıkanarak tüvd 105 o C d kurutulmuştur. Eld diln aktif karbon 77 K sıcaklıkta N 2 gazı adsorpsiyonu il analiz dilmiş v aktif karbonun BET yüzy alanı blirlnmiştir Eld diln aktif karbonlar kullanılarak sulu çözltidn Asit Mavi 193 adsorpsiyonu grçklştirilmiştir. Ksikli adsorpsiyon yöntmiyl yapılan dnysl çalışmalarda adsorpsiyon dng sürsi blirlnmiş, çözlti ph dğri, sıcaklık v adsorban miktarının adsorpsiyon üzrin tkilri inclnmiştir. Çözltid bulunan boya drişimlri spktrofotomtrik olarak tayin dilmiştir. Adsorpsiyon üzrin ortam ph tkisinin inclndiği çalışmada aynı başlangıç drişimin sahip (100 mg/l) 50 ml lik çözltilrin ph ları syrltik HCl v NaOH çözltilri kullanılarak farklı dğrlr ayarlanmıştır. Dng sürsini blirlmk için 100 mg/l drişimdki 50 ml lik çözltilr üzrin 0,1 g aktif karbon konularak 25 o C dki çalkalamalı su banyosunda bkltilmiş, blirli zaman aralıklarında numun alınarak çözltilrin drişimlri ölçülmüştür. İzotrm çalışmalarında is mg/l drişim sahip 50 ml çözlti üzrin 0,1 g adsorban konulmuş v 25, 35 v 45 o C sıcaklıkta dnylr grçklştirilmiştir. Eld diln vrilrdn yararlanarak adsorpsiyon izotrmlri çizilmiştir. Adsorban miktarının tkisinin inclndiği çalışmalarda başlangıç drişimi 250 mg/l sçilmiş v 0,025 1 g aktif karbon kullanılarak adsorpsiyon dnylri yapılmıştır. 3. Bulgular v Tartışma Bu çalışmada kabak çkirdği kabuğundan kimyasal aktivasyon sonucunda ld diln aktif karbonun tkinliği Asit Mavi 193 kullanılarak hazırlanan boya çözltisind dnnmiştir. Adsorpsiyon dnylrind daha öncdn optimum koşul olarak blirlnn 2:1 mdirm oranı v 500 o C karbonizasyon sıcaklığında aktiv dilrk ürtilmiş 1421 m 2 /g BET yüzy alanına sahip aktif karbonlar kullanılmıştır. Aktif karbon üzrin boyarmadd adsorpsiyonu için ph ın tkisinin inclndiği dnylrdn ld diln sonuçlar Şkil 3.1 d vrilmiştir. Çözltinin ph dğri arttıkça % gidrimin azaldığı görülmktdir. Çözltinin ph dğri adsorbanın yüzy yükünü v AKÜ FEMÜBİD 16 (2016) 213

3 adsorplananın iyonlaşma drcsini tkilr. Düşük ph dğrlrind ortamda daha çok proton mvcuttur, bu yüzdn ngatif yüklü boya anyonları il pozitif yüklü adsorpsiyon mrkzlri arasındaki lktrostatik tkilşim artar. Bunun da boya adsorpsiyonunda bir artışa sbp olduğu söylnbilir. Farklı boyarmaddlr için d bnzr sonuçlar gözlnmiştir (Vijayalakshmi t al. 2011; Timur t al.2010). k 2 : sözd II. mrtb kintik hız sabiti (g mg 1 saat 1 ) Şkil 3.2. Asit Mavi 193 adsorpsiyonu için sözd I. mrtb kintik ifad. Şkil 3.1. Asit Mavi 193 adsorpsiyonuna ph'ın tkisi. Adsorpsiyon kintiği aşağıda vriln Langrgrn şitliklri kullanılarak sözd I. mrtb v II. mrtb olmak üzr iki modl üzrindn inclnmiştir. I. drc kintik şitlik k1t log(q qt ) logq (1) II.drc kintik şitlik t q t 1 t (2) k q 2 2q q : dng adsorpsiyon kapasitsi q t : t anında adsorpsiyon kapasitsi k 1 : sözd I. mrtb kintik hız sabiti (saat 1 ) Şkil 3.3. Asit Mavi 193 adsorpsiyonu için sözd II. mrtb kintik ifad. Adsorpsiyon sürcinin kintiğini blirlmk amacıyla yukarıdaki vriln şitliklr yardımıyla çiziln sözd I. v II. mrtb hız ifadlri sırasıyla Şkil 3.2 v 3.3 d vrilmiştir. Ayrıca adsorpsiyona ait kintik modl sabitlri Çizlg 3.1 d vrilmiştir. AKÜ FEMÜBİD 16 (2016) 214

4 Çizlg 3.1. Çözltidn Asit Mavi 193 adsorpsiyonuna ait kintik modl sabitlri. kullanılarak Langmuir v Frundlich izotrmlri çizilmiştir. Şkil 3.4 v 3.5 t Langmuir v Frundlich izotrmlri yr almaktadır. Sözd I. Mrtb Kintik Modli q,h q,d k 1 (dk 1 ) R 2 30,77 25,92 0,079 0,9691 Sözd II. Mrtb Kintik Modli q,h q,d k 2 (g/mg.dk) R 2 27,25 25,92 0,0347 0,9844 Çizlg 3.1 dn görüldüğü gibi sözd II mrtbdn kintik modl için daha yüksk korlasyon katsayısı ld dilmiştir. Aynı zamanda dnysl vrilrdn ld diln q d dğrlri il torik olarak bulunan q h dğrlri birbirin sözd II. Mrtbdn kintik modld daha yakındır. Bu sonuçlara gör, kabak çkirdği kabuğundan H 3 PO 4 aktivasyonu il ld diln aktif karbon il çözltidn Asit Mavi 193 adsorpsiyonunun ikinci mrtbdn bir adsorpsiyon sürci olduğu söylnbilir. Litratürd farklı boyarmaddlr il yapılan çalışmalarda bnzr sonuçlar ld dilmiştir (Dursun t al. 2013; Angın t al. 2013). Farklı başlangıç boyarmadd drişimlrind ( mg/l) v farklı sıcaklıklarda (25 45 C) grçklştiriln dnylrdn ld diln dng vrilri Langmuir v Frundlich adsorpsiyon izotrmlrin uygulanmıştır. Langmuir v Frundlich dnklmlrinin doğrusallaştırılmış şkli aşağıdaki şitliklrd vrilmiştir. C q loq q 1 C (3) bq q m m 1 log K f logc (4) n Farklı sıcaklıklarda ld diln dng vrilri Şkil 3.4. Langmuir izotrmlri. Şkil 3.5. Frundlich izotrmlri Sıcaklığın 25 C dn 45 C y arttırılmasıyla birim adsorban başına adsorplanan boyarmadd miktarının arttığı görülmktdir. Çiziln doğruların ğim v kayma dğrlrindn hsaplanan q m, b, K F v n adsorpsiyon sabitlri v korlasyon katsayıları AKÜ FEMÜBİD 16 (2016) 215

5 Çizlg 3.2 d sunulmuştur. Adsorpsiyon kapasitsi (q m ), sıcaklıkla artmış v n yüksk dğr 45 C d 204,08 mg/g olarak ld dilmiştir. Eld diln rgrasyon katsayıları karşılaştırıldığında gnllikl sıvı çözltidn adsorpsiyon için kullanılan Langmuir modlin uygunluğunun yüksk olduğunu göstrmktdir. Litratürd farklı boyarmaddlr il yapılan çalışmada bnzr sonuçlar bulunmuştur (Vijayalakshm t al. 2011; Dursun t al. 2013). Adsorpsiyon kapasitsinin büyüklüğünü ifad dn K F dğrlri inclndiğind n yüksk K F dğrinin 45 C d ld dildiği görülmüştür. Çözltidn Asit Mavi 193 gidrimind adsorban miktarının tkisini inclmk amacıyla yapılan çalışmaların sonucu Şkil 3.6 da göstrilmktdir. Bu şkild birim adsorban başına adsorplanan boyarmadd v dngd % adsorpsiyon miktarı arasındaki ilişki vrilmiştir. Şkil 3.6 dan görüldüğü gibi adsorban drişiminin 4 g/l dğrin kadar artmasıyla birlikt % adsorpsiyon dğrlrinin arttığı gözlnmktdir. Aktif karbon miktarının artması sonucu adsorpsiyon yüzy alanının v aktif bölglrinin artmasının % adsorpsiyonu arttırdığı söylnbilir. Çizlg 3.2. Hsaplanan Langmuir v Frundlich izotrm sabitlri. Sıcaklık q m b (L/mg) R ,58 0,0377 0, ,57 0,0929 0, ,08 0,1091 0,98 Sıcaklık K F n R , , ,55 1,68 0, ,26 2,27 0,92 Şkil 3.6. Adsorban miktarına karşı dngd adsorplanan Asit Mavi 193 drişimlri v % adsorpsiyon miktarı. 4. Sonuç Adsorban drişimi daha fazla arttırıldığında % adsorpsiyon miktarının sabit kaldığı görülmüştür. Ancak adsorpsiyon yoğunluğu olarak da ifad diln birim adsorban tarafından dngd adsorplanan Asit Mavi 193 miktarının adsorban drişiminin artışına bağlı olarak azaldığı görülmktdir. Sonuç kabak çkirdği kabuğundan ld diln aktif karbonun sulu çözltidn Asit Mavi 193 için tkin bir adsorban olduğu blirlnmiştir. KAYNAKLAR Angın, D., Kös, T.E. and Slngil, U., Production and charactrization of activatd carbon prpard from safflowr sd cak biochar and its ability to absorb ractiv dystuff, Applid Surfac Scinc, 280, Bhatnagar, A. and Sillanpaa, M., Utilization of agro industrial and municipal wast matrials as potntial adsorbnts for watr tratmnt A rviw. Chmical Enginring Journal, 157, Dniz, F., Dy rmoval by almond shll rsidus: Studis on biosorption prformanc and procss dsign. Matrials Scinc and Enginring, 33, AKÜ FEMÜBİD 16 (2016) 216

6 Dursun, A.Y., Tp, Ö., Uslu, G., Dursun, G. and Saatci, Y., Kintics of Rmazol Black B adsorption onto carbon prpard from sugar bt pulp. Environmntal Scinc and Pollution Rsarch, 20, Girgis, B.S., Attia, A.A. and Fathy, N.A., Modification in adsorption charactristics of activatd carbon producd by H 3 PO 4 undr flowing gass. Colloids and Surfacs A: Physicochm. Eng. Aspcts, 299, Lua, A.C. and Yang, T., Charactristics of activatd carbon prpard from pistachio nut shll by zinc chlorid activation undr nitrogn and vacuum conditions, Journal of Colloid and Intrfac Scinc, 290, Rai, H.S., Bhattacharyya, M.S., Singh, J., Bansal, T.K., Vats, P. and Banrj, U.C., Rmoval of dys from th fflunt of txtil and dystuff manufacturing industry: A rviw of mrging tchniqus with rfrnc to biological tratmnt. Critical Rviws in Environmntal Scinc and Tchnology, 35, Timur, S., Kantarli, İ.C., Onnc, S., Yanik, J., Charactrization and application of activatd carbon producd from oak cups pulp. Journal of Analytical and Applid Pyrolysis, 89, Vijayalakshmi, P., Bala, V.S.S., Thiruvngadaravi., K.V., Pannrslvam, P., Palanichamy, M. and Sivansan, S., Rmoval of acid violt 17 from aquous solutions by adsorption onto activatd carbon prpard from pistachio nut shll, Sparation Scinc and Tchnology, 46, AKÜ FEMÜBİD 16 (2016) 217