ATIK SULARDAN Pb +2 iyonlarinin ADSORPSiYONUNDA ÇAY ATIĞININ KULLANILMASI 1.şahin SARRAFİ a, * 2.sertaç KARAKAŞ a 3.mehmet POLAT a 4.

Transkript

1 ATIK SULARDAN Pb +2 iyonlarinin ADSORPSiYONUNDA ÇAY ATIĞININ KULLANILMASI 1.şahin SARRAFİ a, * 2.sertaç KARAKAŞ a 3.mehmet POLAT a 4.berna ÜZELYALÇIN a İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Bölümü Gülbahçe Urla- İzmir, Türkiye * İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Gülbahçe Urla- İzmir, 35430, falconn8585@hotmail.com,iytesertac@hotmail.com özet Bu projede bilhassa metal endüstrisinde kullanılan proses atık suyunun arıtma teknolojisini daha ekonomik kılan yeni bir teknolojiyle değiştirmek amaç edinilmiştir. Atık sulardaki ağır metal gideriminde genelde kullanılan granüle aktif karbonun(gak) maliyet analizi yapılmış ve buna karşılık maliyet açısından hiç bir değeri olmadığı farzedilen çay işleme ve paketleme tesisleri çay atıkları önerilmiştir.deneysel çalışmalarımızla Pb +2 iyonunun adsorpsiyonu araştırıldı ve yaklaşık %90 ölçüde adsorpsiyona uğradığı gözlendi. Bu da literatür çalışmalarıyla örtüşmektedir. Anahtar kelimeler:çay atığı;atık sular;adsorpsiyon;granüler aktif karbon, Pb +2 GİRİŞ Dünyada yılda km³ tatlı su okyanuslardan karalara transfer olmaktadır. Bu suyun büyük bir kısmı taşkın vb. nedenlerle kaybolurken kullanılabilir su miktarı yıllık olarak km³ olmaktadır. Dünya nüfusunun yıllık su gereksinimi kişi başına ortalama 350 m³ civarındadır. Ancak su kirlenmesi nedeni ile su gereksinim kişi başına 700 m³ değerine ulaşmaktadır. Şuan dünya üzerindeki suyun ancak 13 milyar insana yeteceği düşünülmektedir. Dünya nüfusunun zaman içinde artışı ve su kaynaklarının dünya üzerinde eşit olarak dağılmaması (Afrika ve Ortadoğu vb.) gibi nedenlerle su kirliliği önemli bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. [1] Son yıllarda araştırılan en önemli konulardan birisi, içinde çözünmüş zehirli etkiye sahip ağır metal ihtiva eden suların iyileştirilmesidir. Çevre bilimciler öncelikli olarak insan sağlığına ve çevreye kötü etki eden yüksek toksik etkiye sahip ağır metallerin etkisini en aza indirme yollarıyla ilgilenmektedirler. Hızlı sanayileşme ciddi manada su akıntılarına zehirli ağır metal salınımına neden oldu. Ağır metal kirliliğinin görüldüğü başlıca alanlar, madencilik, elektrikli kaplamacılık, metak işleme endüstrisi, tekstil ve akü üretim endüstrisidir. Metallerden kurşun, kadmiyum, bakır, arsenic, nikel, krom, çinko ve cıva zararlı agır metaller olarak bilinmektedir. Atıksular, suyun evlerde, ticari faaliyetlerde ve sanayide kullanımı sonucu kirlenmesiyle oluşur. Zamanla yağmur suları, yüzeysel sular ve sızıntı suları bu atıksulara karışabilir. Başlıca Atık Su kaynakları; konutlar, ticari binalar, endüstri kuruluşları, maden ocakları, cevher zenginleştirme tesisleri, kentsel bölgeler, tarımsal alanlar, sanayi bölgeleri, tamirhaneler atölyeler, hastaneler ve benzeri kurum ve kuruluşlar olarak sıralanabilir. Ağır metal zehirliliği hayati organlar olan karaciğer,böbrek, akciğer ve kan kompozisyonu bozukluklarına, halsizliğe, merkezi sinir sistemi bozukluklarına ve zihinsel geriliğe neden olmaktadır. Su akıntılarında ve deniz sularında ağır metal varlığı su habitatınada yan tesirleri bulunmaktadır. Bu yüzden çoğu ülke su kirliliği konusunda katı yasal önlemler almışlardır. Su iyileştirme metodlarından, koagülasyon yöntemi sonrası çöktürme en çok kullanılan ağır metal uzaklaştırması yöntemidir. Fakat bu işlem, az miktarda ağır metal içeren yüksek hacimlerde çamur oluşumuna neden oluyor. Membran filtrasyonu kanıtlanmış metod olmasına rağmen pahalı olması pratikte kullanımını sınırlı kılar. Bu yüzden adsorpsiyon, atık sulardan metal uzaklaştırılmasında en verimli metottur. [2,3] Adsorpsiyon işleminde çok sayıda adsorbent kullanılmaktadır. Bunlar arasında tüm dünyada atıksu arıtımında en yaygın olarak kullanılan aktif karbondur.aktif karbon iyi metal tutma kapasitesine sahip olmasına rağmen su iyileştirme işleminde yüksek aktivasyon maliyetine sahiptir. Ayrıca üretimi için Hindistan cevizi kabuğu, kömür, odun ve petrol artıkları gibi

2 hammaddeler harcanmaktadır. Görüldüğü gibi hem üretimindeki hemde aktivasyonundaki,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 ve yüksek metal bağlama kapasitesine sahip olmaları nedeniyle dikkat çekmektedirler. [3,4,5] Sanayi envanterinden elde edilen bilgiler çerçevesinde sektörlere ve önemli sanayi merkezlerine gore arıtma tesisi olan kuruluşların yüzdeleri belirlenmiştir. Türkiye genelinde bütün sektörlerde antma tesisi kurma oranının 1990 yılı itibarıyla %29 gibi bir ortalama seviyeye ulaştığı tespit edilmiştir. Arıtma tesisi olmayanlarm oram ise %71'dir. Sektörlere göre dağılım incelendiği zaman en fazla antma tesisine sahip sektörün %85 ile Kimya Sanayii olduğu görülmektedir. Sırasıyla sektörlere göre antma tesisi kurma oranlan-aşağıdaki gibidir. Tablo1. Türkiye deki sektörlere göre arıtma tesisi durumu [6] Arıtma Tesisi Durumu Var Yok Kimya Sanayii 85% 15% Kağıt Sanayii 70% 30% Gıda Sanayii 55% 45% Tekstil Sanayii 19% 81% Metal Sanayii 3% 97% Türkiye genelinde arıtma tesisi olan sanayi kuruluşları oram %29 olup bunların İstanbul, İzmir, Kocaeli ve Bursa illeri itibari ile oranlan ise söyledir: Tablo 2. İllere gore arıtma tesisi durumu [6] Arıtma Tesisi Durumu Var Yok İstanbul 18.9% 81.1% İzmir 55.3% 44.7% Kocaeli 99.0% 1.0% Bursa 22.0% 78.0% Antma tesisi sayısı açısından Kocaeli Bölgesi birinci sırada, İzmir ikinci sırada, Bursa üçüncü sırada,istanbul dördüncü sırada gelmektedir. İzmir'de halen mevcut antma tesisi sayısı 27'dir. İnşaat ve proje aşamasında olanların sayısı ise 5'dir. Ön çökeltim ve ızgara şeklinde basit bir ön arıtması olan işletmelerin sayısı ise 143'tür. İZSU'nun kontrolü altında olma İşletmelerin toplam sayısı 300'dür. [6] Görüdüğü gibi özellikle metal sanayi endüstrisinde atık su arıtma tesisi açığı ciddi anlamda ülkemide baş göstermektedir.çay atıklarını kullanarak dizayn edilebilecek ileri arıtma basamaklı tesislerde bu atık sular en verimli ve ucuz bir şekilde proses suyu olarak kullanılabilinir. Türkiye deki su kalite sınıfları hakkındaki yasal düzenleme tablo 3 de gösterilmiştir. Hedeflenen başarı ölçütlerimiz içinde su akıntılarını çay posasını kullanarak yüksek kaliteye çıkarmak vardır.

3 Tablo 3. Çeşitli kullanılır su kalitelerindeki bazı kontaminantların standart değerleri [7] Su Kalite Sınıfları Parametre I II III IV ph <6.0 and >9.0 Klorür iyonu (mg Cl /L) > 400 sulfate (mg SO = 4 /L) > 400 Total dissolved solids (mg/l) > 5000 Sodium (mg Na + /L) > 250 Mercury (μg Hg/L) > 2 Cadmium (μg Cd/L) > 10 Lead (μg Pb/L) > 50 Arsenic (μg As/L) > 100 Copper (μg Cu/L) > 200 Chromium (toplam) (μg Cr/L) > 200 Cobalt (μg Co/L) > 200 Nickel (μg Ni/L) > 200 Zinc (μg Zn/L) > 2000 Iron (μg Fe/L) > 5000 Manganese (μg Mn/L) > 3000 Boron (μg B/L) 1000 e 1000 e 1000 > 1000 Alüminyum (mg Al/L) > 1 Kalite I : Yüksek kalite su (dezenfektasyonu yapıldıktan sonra içme suyu olarak kullanılabilir) Kalite II: Az kirlenmiş su (gelişme iyileştirme metodlarına tabi tutulduktan sonra içme suyu olarak kullanılabilir ) Kalite III: Orta derece kirlenmiş su (kullanma suyu yada endüstriyel alanda yemek ve tekstil vb. alanlar hariç kullanılabilir) Kalite IV: Çok kirlenmiş su (yüksek bi sınıfa iyileştirilmeden kullanılamaz) Projede hedeflenen ürün ve/veya süreç yeniliğinin, pazar ve sektördeki (yurt içinde veya dışında) benzerlerine göre öngörülen farklılıklarını, avantajlarını, üstünlüklerini, belirtiniz. Atık sulardaki ağır metaller, kimyasal çöktürme, ters osmoz, buharlaştırma, iyon değişimi ve adsorpsiyon yöntemleriyle uzaklaştırılmaktadır. Bu metodlar kapital,işletimsel giderleri ve oluşturdukları ikincil atıkların iyileştirilmesi açısından değerlendirildiklerinde, içlerinden en iyi sonuç vereni adsorpsiyon tekniğidir. Atık su arıtımında kullanılan en temel adsorbentler, aktive karbon, kitosan, kil, atık çamur ve zeolitlerdir. [9] Çay atığını granüler aktif karbon(gak) ile karşılaştırdığımız zaman batch deneylerde GAK tan iyi ve neredeyse GAK a yakın bulgular elde edilmiştir. Adsorpsiyon çay atığında GAK a nazaran daha hızlıdır. Sabit yataklı kolonda GAK adsorpsiyon kapasitesi çay atığından çok düşüktür. Bu GAK ve çay atığında farklı kanallama etkileri oluşmasındandır. GAK ve çay atığının adsorpsiyon oranları farkı kolonda adsorpsiyon kapasitesi farkına yol açar.

4 Yapılan çalışmalar çay atığının diğer biyokütlelere kıyasla daha iyi tutucu özelliğe sahip olduğunu göstermiştir. Atık sulardan ağır metal tutan çay atığı düşük maliyetli bir adsorbenttir. Hem çay fabrikalarından hemde kafeteryalardan çay atıkları toplanabilir ve hammadde olarak kullanılabilir. Adsorpsiyon kapasitesi(mg/g) Adsorbent tipi Şekil 1. Yüksek Adsorbsiyon kapasitesine sahip bazı adsorbentler [8] Şekil 1 de ticari aktif karbon ve kitosan, atık çamuru ve ligninin farklı metal iyonlarına göre adsorpsiyon kapasiteleri gösterilmiştir. Şekil 2. Atıksu arıtımında kullanılan adsorbentlerin pazar fiyatları (ABD$/ton) [4] Şekil 2 de çeşitli adsorbent türlerinin fiyat grafiği verilmiştir. Sanayide en çok kullanılan tutucu aktive karbondur, fakat rejenere edilebilmesine rağmen pahalı bir tutucudur. Ancak rejenere edilmesi de çok pahalıdır.[9] Halihazırda endüstride kullanılan aktif karbon fiyatı kalitesine bağlı olarak yaklaşık US$ /kg değerindedir. [10]

5 DENEYSEL Adsorbent olarak siyah çay yaprakları (Carmellia sinensis) seçildi. Çay yapraklarının karakterizasyon çalışmaları ve SEM de yüzey morfolojisi incelemeleri yapıldı. Deneyde, ticari çay paketlerinde bulunan çayın (Çaykurdan temin edildi), fabrika çay atığıyla aynı özellikte olduğu varsayıldı. Yaptığımız deneylerde termostatik çalkalıyıcı 120rpm de 40 C de saf su kullanılarak liç yapılmıştır. Saf su kullanılmasının sebebi ise şehir suyunun içindeki iyon derişiminin sürekli değişim eğilimi göstermesidir. Atık su olarak, laboratuar ortamında deneysel olarak tuzlarından elde edilmiş Pb +2 eşdeğer iyonlu ağır metal kullanıldı. Bu metaller gerek evsel atıkta gereksede endüstriyel atık sularda ciddi toksik etkiye sahip metaldir. Tuzlarından elde edilmiş ağır metaller 3 farklı ppm değeri baz alınarak saf suda çözündürülüp deneysel kirli sular elde edilecek. 20ppm, 200ppm ve 2000ppm değerlerinde alınmış Pb +2 incelendi. Eğer 20ppm değerinde herhangi bir kayda değer adsorpsiyon miktarına erişildiği takdirde, bu düzenek son arıtma işlemlerinde kullanılabilir. Eğer 200 veya 2000ppm değerindeki kombinasyonlar kayda değer bir adsorpsiyon miktarına ulaşırsa bu düzenekler ön arıtma işlemlerinde kullanılabilir. Yaptığımız deneysel çalışmalarda M lık Pb 2+ çözeltileri çay adsorpsiyonuna uğratılmıştır. 10 dk, 1 saat, 3 saat, 7 saat, 24 saat aralıklarla alınan örnekler ICP-AES analizine tabi tutulmuştur. SONUÇLAR Çay yaprakları Scanning Electron Microscopy(SEM) de yüzey ve kesit alanları incelenerek gözenekli yapıya sahip olup olmadığı araştırıldı. 10μm ve 100 μm ölçekli SEM analizi fotoğrafları dikkate alınmıştır. Şekil 3. Çay yapraklarının yüzey fotoğrafları Şekil 3 de SEM den alınmış çay yapraklarının yüzey morfolojisi incelenerek mikro gözenek yapısı göstermediği görüldü.

6 Şekil 4. Çay yapraklarının kesit alanı fotoğrafları Şekil 4 de SEM den alınmış çay yapraklarının kesit alanı morfolojisi incelenerek madde transferine olanak sağlayan mikro ve nano gözenek yapısı gösterdiği görüldü. Aşağıdaki grafik, çözeltide kalan Pb 2+ miktarını zamana gore değişim grafiğini logaritmik skalada göstermektedir ppm Pb ppm Pb ppm Pb 2+ C/C Zaman, saat Şekil 5. Çözeltideki Pb +2 iyon derişiminin zamana göre değişimi Şekil 5. deki grafik SigmaPlot programı kullanılarak elde edilmiştir. Zamana göre Pb +2 iyonunun derişimi başlangıç konsantrasyonu normalize edilerek elde edilmiştir. Tablo 4. Pb +2 tuzunun 3 farklı molaritelerinin, adsorpsiyonu sırasında çözeltide kalan Pb +2 miktarı Time(hours) 10^-2(2000 ppm) 10^-3(200ppm) 10^-4(20ppm) 0,16 172,61 16,91 1, ,89 10,47 0, ,7 6,59 1, ,28 3,62 1, ,7 2,33 0,26 Yukarıdaki tabloda görüldüğü üzre 0,16 dakikada yüksek miktarda ve hızlı bir şekilde Pb +2 iyonları adsorpsiyona uğramıştır.

7 Tablo 5. Pb +2 iyonunun çay atığı ve GAK a göre adsorpsiyon literatür değerleri [3] Deneysel olarak elde ettigimiz Tablo 4 teki verilerden elde edilen Şekil 5 ten yola çıkarak Tablo 5 deki literatür değerlerini karşılaştırdığımızda yaklaşık olarak örtüştüğünü görmekteyiz. Literatürde ve bizim deneylerimizdeki çay atığının kıyasını yapacak olursak, % adsorplanan oran aralığı 90 ile 100 arasındadır. Bu da literatürle benzer sonuçlar bulunduğunu göstermektedir. Tablo 5 ten görüldüğü gibi adsorplanan iyon miktarı gerek literatür sonuçlarında gereksede bizim deneylerimizde % olarak oranı çay ve GAK ın yaklaşık olarak benzerdir. Granüler aktif karbonla karşılaştırmaktaki amaç, piyasada kullanılan en yaygın adsorbent olması ve buna alternatif teşkil edecek çay atığı değerlerini görmektir. Tablo ppm baz alınarak literatür Zaman(saat) 10-3 (200ppm) adsorplanan miktar(ppm) % adsorplanan 0,16 16,91 183,09 91, ,47 189,54 94, ,59 193,41 96, ,62 196,38 98, ,33 197,67 98,83695 Tablo 4 deki deneysel verilerden yola çıkarak 24 saat sonunda ulaşılan değerler su kalite sınıflarına göre yorumlanmıştır. Buna göre 20ppm den 0,26 ppm e ve 200ppm den 2.33ppm e düştüğü görülmüştür, bu da Tablo 3 te bahsi geçen 1. kalite sınıfına girdiklerini göstermekle beraber bu miktarlardaki atık sular için adsorpsiyon tekniğinin son arıtma yöntemi olarak kullanılabilinecegini de göstermiştir. Bunun yanısıra, 2000ppmlik atık su örneği için 2000ppm den 84.7ppm e düştüğü gözlenmiştir, bu da 4.kalite su sınıfına girmektedir. Yani bu miktarda Pb +2 iyonu içeren atık su örnekleri için adsorpsiyon tekniği ön arıtma işlemi olarak kullanılabilinir. KAYNAKLAR Mondal M.K. Removal o fpb(ii) ions from aqueous solutions in activated tea waste: Adsorptiononafixed-bedcolumn, Journal of Environmental Management 90, , Amarasinghe, B. M. W. P. K., Williams, R. A.. Tea waste as a low cost adsorbent for the removal of Cu and Pb from wastewater,chemical Engineering Journal Vol. 132 pp , Alyüz B., Veli S. Low-cost adsorbents used ın heavy metal contamınated waste water treatment, Journal of Engineering and Natural Sciences, Sigma 3, Water Contamination Control Regulation, Turkish State Official Gazzette, December 31, No Babel S., Kurniawan T. A.. Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water : a review, Journal of Hazardous Materials B97, , Malkoc E., Nuhoglu Y.. Potentialofteafactorywasteforchromium(VI)removalfromaqueous solutions:thermodynamicandkineticstudies, SeparationandPurificationTechnology 54, , CSIRO,Activated Carbon,Welcome toenecon swebsite, May2002, ftp://enecon.com.au/activated.html.

8