Nikel(II) Ýyonunun Sulu Ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile Giderilmesi

Transkript

1 Cilt:12 Sayý:46 (23), Nikel(II) Ýyonunun Sulu Ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile Giderilmesi Hulusi ÇOKADAR Pamukkale Üniversitesi, Eðitim Fak., Fen Bilgisi Eðitimi A.B.D., Ýncilipýnar, DENÝZLÝ Recep ÝLERÝ, Asude ATEÞ Sakarya Üniversitesi, Müh Fak., Çevre Müh. Bölümü, Esentepe Kampusu, ADAPAZARI Belgin ÝZGÝ Uludað Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Görükle Kampusu, BURSA ÖZET Bu çalýþmada, Ni (II) iyonunun sulu ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile giderilmesi, olaya etki eden bazý parametreler ve adsorpsiyon izotermi incelenmiþtir. Nikelin GAK adsorpsiyonu Freundlich izotermine daha çok uyduðu görülmektedir. GAK ile nikel adsopsiyon olayýnda; metal giriþ konsantrasyonu, ph, temas süresi ve ligantlar önemli parametrelerdir. Ýlk 6 saat temas süresinin önemli kýsmýný teþkil etmekte olup, 8 saatte denge haline ulaþmaktadýr. Optimum ph 7 olarak belirlenmiþtir. Granül Aktif Karbon (GAK), sulu ortamlardaki ve endüstriyel atýksulardaki nikelin ve benzer aðýr metallerin giderilmesinde baþarý ile kullanýlabilir. Anahtar Kelimeler: Nikel, sulu ortam, granül aktif karbon (GAK), giderim. Removal of Nickel (II) Ions From Aquous Solution By Granulated Activated Carbon (GAC) ABSTRACT In this study, removal of nickel (II) ions from aqueous solution by Granulated Activated Carbon, some effect parameters and adsorption isotherm have been investigated. Nickel adsorption by Granulated Activated Carbon (GAC) was close to the Freundlich isotherm model prediction. Initial metal concentration, ph, contact time and ligands were important parameters in phenomenon of nickel adsorption by Granulated Activated Carbon (GAC). Adsorption of nickel is quick, most of taking place within the first 6 hours and reached equilibrium in 8 hours. Optimum ph was 7. Granulated Activated Carbon (GAC) can be used successfully for removal of nickel ions and similar heavy metals from aqueous solutions and industrial wastewaters. Keywords: Nickel, aqueous solution, granulated active carbon (GAC), removal. GÝRÝÞ Bulunduðumuz teknoloji çaðý nüfusun hýzla artmasý, tüketim alýþkanlýklarýnýn deðiþmesi sonucu kaoslarýn yaþandýðý bir dönemdir. Ýnsan ihtiyaçlarýný karþýlamak için çeþitli tarým ve endüstriyel ürün üretiminin baþ döndürücü hýzla artmasý ekolojik dengenin bozulmasýna yol açabilecek çevre sorunlarýný karþýmýza çýkarmýþtýr. Özellikle nüfus ve endüstri tesislerinin yoðun olduðu bölgelerde hava kirlenmesi, su kirlenmesi ve toprak kirlenmesi olarak adlandýrýlan ve genelde çevre kirlenmesi denilen bir olgu ile karþý karþýya bulunuyoruz. Çevre kirlenmesine neden olan atýklar içinde organik menþeli kirleticiler bulunduðu gibi inorganik menþeli kirleticiler de bulunmaktadýr. Ýnorganik kirleticilerden aðýr metaller (Cu, Cd, Cr, Pb, Hg, Ni, Zn gibi) ortamda düþük miktarda bulunsalar bile canlýlar üzerine olumsuz tesirlere sahiptirler ve belli bir deðerin üzerinde bulunurlarsa toksik etki gösterirler (Sigword ve Smith, 1972; Çokadar ve ark., 21). Nikel tabiatta nadiren elementel halde bulunur. Litosferin %.1'den çoðunu oluþturur. Nikel tuzlarý metal kaplama iþlerinde kullanýlýr. Yüzey ve yeraltý sularýna kaplama banyolarýndan yapýlan deþarj, sulardaki nikel miktarýný artýrýr. Çelik parçalarýnýn bakýr alaþýmlý ve alüminyum alaþýmlý parçalarýnýn kaplanmasýnda elektrolit çökelti halinde kullanýlýr. Elektrikli ýsýtýcý bobinlerin, mýknatýslarýn, kimya sanayinde, cerrahi ve fizik aletlerinin yapýmýnda, paranýn üretiminde atýk olarak çevreye nikel verilir. Nikelden yapýlmýþ eþyalar alerjiye neden olabilirler. Alg ve balýklar için toksiktir. Ýnsanlara ise sulu yiyeceklerden geçer ve zamanla akciðer, baðýrsak, deri gibi dokularda birikebilir. Nikel rafinasyon iþçileri üzerinde yapýlan bir çalýþmada, mide ve akciðer kanserine yakalanma oranýnýn yüksekliði dikkate alýnmasý gereken bir konudur (Anonymous, 1985; Cebe, 1987; Çokadar ve ark., 1999). Aðýr metal iyonlarýnýn su ortamýnda giderilmesinde baþlýca çöktürme, birlikte çöktürme, þelat oluþumu, elektroliz, membran, adsorpsiyon, biyosorpsiyon teknikleri kullanýlabilir (Eckenfelder, 1979; Eckenfelder, 1991; Ýleri ve ark., 1993). Bu amaçla ph ayarlamasý, Fe (III) ve alüminyum bileþikleri, biyopolimerler, iyon deðiþtiriciler, aktif karbon, linyit, kömür, bazý oksitler, kil, uçucu kül, bakteriyel materyal vb. laboratuar ve endüstride baþarýyla kullanýlabilmektedir (Suffern ve ark., 1981; Viraraghavan ve Rao, 1991; Deans ve Dixion, 1992). Bu çalýþmada, laboratuarda hazýrlanan belli deriþimdeki Ni(II) iyonunun sulu ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile giderilmesi ve olaya etki eden bazý parametreler incelenmiþtir. MATERYAL VE METOT Ni(NO 3 )2.6H 2 O bileþiðinin bidistile su ile 1 M'lik stok çözeltisi hazýrlanmýþtýr. Stok çözelti seyreltilerek seçilen deriþimde hazýrlanan 2 ml'lik 38 Ocak - Þubat - Mart 23, Sayý: 46

2 Nikel(II) Ýyonunun Sulu Ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile Giderilmesi Ekoloji örnekle 2 mg 1,5 mm tane boyutundaki Merck Granül Aktif Karbonu (GAK) (1 g GAK/l) oda sýcaklýðýnda çalkalama cihazý ile karýþtýrýlmýþtýr. Sýcaklýk 2 O C'dir. Belli sürelerde çalkalanan örneklerin mavi bant süzgeç kaðýdýndan süzülen 3 ml'si ölçüm için 5 ml'lik polietilen örnek kaplarýna alýnýp 1M'lik HCl çözeltisi ile asitlendirilmiþtir. Örneðin ph'ý,1 N HCl veya,1 N NaOH çözeltileri ile iyonik þiddet ise KNO 3 çözeltisi ile,5 M deðerine ayarlanmýþtýr. Örnekteki Ni (II) miktarý ARL Fisons SS-7 DCP doðru akým plazmasý (DAP) ile belirlenmiþtir. Adsorpsiyon Ýzotermi Çözeltilerden Merck Granül Aktif Karbon (GAK) üzerine adsorpsiyon verileri Freundlich ve Langmuir izotermleri ile deðerlendirilmiþtir. Adsorpsiyon izotermleri aþaðýdaki þekilde verilebilir (Tchobanoglous ve Burton, 1991; Ýleri ve ark, 1993; Çokadar ve ark, 21). Freundlich izotermi Freundlich izotermi yaklaþýmlara dayanmakta ve Langmuir adsorpsiyon izotermlerinin daðýlýmlarý toplamý olarak düþünülebilmektedir. Gazýn hacmi yerine çözünmüþ maddenin konsantrasyonu yer alýr ve eþitlik; sývýdan katý yüzeye adsorpsiyon için aþaðýdaki þekilde düzenlenir. q e =K C e 1/n Bu eþitlik, genellikle verilerin deðerlendirilmesinde logaritmik/lineerleþtirme þekliyle kullanýlýr. log q e = log K + 1/n. log C e Burada; q e : Gram adsorbant (adsorplayýcý) baþýna C e : Dengedeki çözelti konsantrasyonu (mg/l) K ve n: Freundlich adsorpsiyon izotermine ait sabit parametrelerdir. Langmuir izotermi: Langmuir izotermi, katý yüzeyinden uzaklaþýldýðýnda moleküller arasý (katýsývý veya gaz) etkileþim kuvvetleri zayýfladýðýndan adsorplanan tabakanýn bir molekül kalýnlýðýnda olduðu temeline dayanýr. q e = (Q b C e )/(1 + b C e ) Bu eþitlik de, genellikle verilerin deðerlendirilmesinde lineerleþtirme þekliyle kullanýlýr. C e / q e = (1/ Q b) + (C e /Q ) Burada ; C e : Dengedeki çözelti konsantrasyonu (mg/l) q e : Gram adsorbant (adsorplayýcý) baþýna Q : Yüzeyde tam bir monomoleküler tabaka oluþturabilmek için gerekli adsorbant miktarýný gösteren sabit b: Adsorpsiyon enerjisini belirten sabittir. Adsorpsiyon Kinetiði Aðýr metallerin aktif karbonda adsorplanmasýyla atýk suyun arýtým kinetiði incelenmiþ ve Lagergren ve Weber-Morris eþitliklerinden yararlanýlarak adsorpsiyon hýz sabitleri ve gözenek difüzyon hýz sabitleri hesaplanmýþtýr. Lagergren Eþitliði: log (q e -q)= log q e -k t Weber-Morris Eþitliði: C t /C o = k' t 1/n Burada; q: Herhangi bir t anýnda gram aktif karbon baþýna q e : Denge konumunda adsorplanmýþ madde miktarý (mg/g) k : Adsorpsiyon hýz sabiti (sa -1 ) k' : Gözenek difüzyon hýz sabiti (sa -1 ) t : Zaman (saat) Co: Baþlangýçtaki adsorbant konsantrasyonu (mg/l) C t : t zamanýndaki adsorbant konsantrasyonu (mg/l)' dur. log (q e -q)-t arasýndaki eðrinin eðiminden adsorpsiyon hýz sabitleri hesaplanmýþtýr. Ayný þekilde (C t /C o ) ile t 1/n arasýndaki eðrinin eðiminden gözenek difüzyon hýz sabitleri hesaplanmýþtýr. BULGULAR VE TARTIÞMA Baþlangýç Deriþimi ve Temas Süresinin Etkisi 1 x 1-4 M (= 5,87 mg Ni/l) 'lik Ni (II) çözeltisi tabii ph deðerinde (ph= 5,4) Granül Aktif Karbonu (GAK) ile 24 saate kadar takip edilerek dengeye ulaþma süreleri belirlenmiþtir ve granül aktif karbon (GAK) üzerine Ni (II) adsorplanma kinetiði Þekil 1'de gösterilmiþtir. Nikel adsorpsiyonunun ilk 6 saat içersinde büyük oranda tamamlandýðý ve 8 saatte dengeye ulaþtýðý görülmüþtür. Farklý metal çözeltilerinin dengeye ulaþma süreleri farklý olabilmektedir. Baþlangýç deriþimi, denge süresine tesir etmemekle birlikte metal giderme verimine tesir etmektedir (Çokadar ve ark., 1999; Çokadar ve ark., 21). Birim granül aktif karbona (GAK) adsorplanan K o n s a n t r a s y o n, C t ( mg / L ) Zaman, t ( saat ) Þekil 1. Granül Aktif Karbon (GAK) üzerine Ni (II) adsorplanma kinetiði. Ocak - Þubat - Mart 23, Sayý: 46 39

3 Ekoloji A d s o r p s i y o n, q ( mg N i / g G A K ) Ni (II) miktarýnýn zamanla deðiþimi Þekil 2'de verilmiþtir. ph'nýn Etkisi 1 x 1-4 M'lýk Ni (II) çözeltisinin ph'ý 2-11 aralarýnda seçilen yedi ayrý ph deðerine ayarlanarak 8 saat sonundaki adsorplanan Ni(II) miktarýnýn ph ile deðiþimi incelenmiþ ve sonuçlar Þekil 3'de verilmiþtir. Þekil 3'ten anlaþýlacaðý gibi, ph, GAK ile adsorpsiyon olayýnda kritik bir deðer olarak görülmektedir. Adsorpsiyonu etkileyen en önemli faktörlerden biri, adsorpsiyon olayýnýn gerçekleþtiði ortam ph'sýdýr. ph parametresinin etkisi, adsorplayýcýnýn cinsine, çözeltideki davranýþýna ve adsorplanan iyonlarýn cinsine göre deðiþmektedir (Tchobanoglous ve Burton, 1991; Ardalý ve Büyükgüngör, 1993; Ýleri ve ark., 1993). ph 7-11 arasýnda adsorpsiyon en iyi oranda olmaktadýr. Optimum ph bu deðerlendirmelere göre 7 olarak saptanmýþtýr. Bu aralýkta adsorpsiyonun fazla olmasý, aktif karbonun yüzey formasyonuna ve bu ph deðerlerinde metal iyonlarýnýn ortamda bulunan hidrokso komplekslerinin türlerine baðlý olarak açýklanabilir Zaman, t ( saat ) Þekil 2. Birim Granül Aktif Karbona (GAK) adsorplanan Ni (II) miktarýnýn zamanla deðiþimi. H.ÇOKADAR-R.ÝLERÝ-A.ATEÞ-B.ÝZGÝ Bazý Ligantlarla Yaptýðý Komplekslerin Etkisi 1 x 1-4 M'lik Ni (II) çözeltinin NH 3, CN - ve EDTA (H 2 Y 2- ) ligantlarýyla 1:6 (ph= 9,5), 1:4 (ph= 6,3) ve 1:1 (ph=4,3) oranlarýnda yaptýðý kompleks bileþik çözeltilerinin ph'ýný deðiþtirmeden GAK ile adsorpsiyonunun zamanla deðiþimi belirlendi. Ni + 2 iyonu NH 3 ile [Ni(NH 3 ) 6 ] + 2 kompleksini yapmaktadýr. Bazik ortamda Ni + 2 iyonu Ni(OH) 2 bileþiði olarak çökelir. Ancak NH 3 bileþiði çözer, kompleks bir ürün meydana gelir. Bu kompleks ürün oldukça kararlýdýr. Ni +2 iyonu, CN - ile [Ni(CN) 4 ] -2 ve H 2 Y -2 ile [NiY] -2 saðlam kompleks ürünler oluþturur (Bard, 1966). Elde edilen deney sonuçlarý Þekil 4'te gösterilmiþtir. Söz konusu ligantlarýn nikel giderime azaltýcý etkisi olduðu gözlemlenmiþtir. % G i d e r m e NH3 + CN- + EDTA Zaman ( Saat ) Þekil 4. Nikel çözeltisinde NH 3, CN -, EDTA ligantlarýnýn bulunmasý halinde, GAK Ýle nikel giderme yüzdesinin zamanla deðiþimi Desorpsiyon 5 ml'lik 1 x 1-3 M Ni(II) çözeltisi ile 5 g GAK oda sýcaklýðýnda 24 saat karýþtýrýlýp, süzülüp, desikatörde kurutulmuþtur. 23,7 mg Ni(II)/g GAK adsorplamýþ kurutulmuþ Granül Aktif Karbondan 5 1 % Giderme % D e s o r p s i y o n ph Þekil 3. 1 x 1-4 M Ni (II) çözeltisinden GAK ile Ni (II) giderme yüzdesinin ph ile deðiþimi Zaman (Saat) Þekil 5. GAK'dan Nikelin desorpsiyonunun zaman ile deðiþimi 4 Ocak - Þubat - Mart 23, Sayý: 46

4 Nikel(II) Ýyonunun Sulu Ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile Giderilmesi Ekoloji mg alýnarak 2 ml 1 M'lýk H 2 SO 4 ile üç saat çalkalanmýþtýr. Desorpsiyon iþleminin baþlangýcýnda kullanýlan asit çözeltisinde nikel iyonu konsantrasyonu sýfýrdýr. Asit çözeltisiyle aktif karbonun temasýndan sonra asit çözeltisine nikel iyonlarý geçer. Sonuçlar Þekil 5' de verilmiþtir. Adsorpsiyon Ýzotermi Genel olarak, sabit sýcaklýkta adsorbent tarafýndan adsorplanan madde miktarý ile denge basýncý veya konsantrasyonu arasýndaki baðýntýya adsorpsiyon izotermi adý verilir. Sulu çözeltiden katý üzerine adsorpsiyon çözeltide adsorplanan maddenin denge konumuna dek azalýr. Adsorpsiyon dengesi kurulduktan sonra adsorpsiyon miktarýnda ve çözelti konsantrasyonunda bir deðiþiklik olmaz. Adsorpsiyon izotermleri adsorplanan madde konsantrasyonu ile deðiþim gösteren fonksiyonlardýr. Freundlich izotermi, Langmuir adsorpsiyon izotermlerinin daðýlýmlarý toplamý olarak düþünülebilmektedir (Cebe, 1987). Nikel çözeltisinin farklý baþlangýç konsantrasyonlarýna karþýlýk gelen denge konsantrasyonlarý Tablo 1'de verilmiþtir. Tablo 1. Nikel çözeltisinin farklý baþlangýç konsantrasyonlarýna karþýlýk gelen denge konsantrasyonlarý C O (mg/l) C e (mg/l) q e (mg/g) Nikel çözeltisine ait adsorpsiyon izoterm eðrisi Þekil 6'da gösterilmiþtir. Nikel için Freundlich ve Langmuir izotermlerine ait elde edilen sabit deðerler Tablo 2'de verilmiþtir. Korelasyon katsayýlarýna göre, nikelin GAK adsorpsiyonu Freundlich izotermine daha çok uyduðu görülmektedir. Nikel'in GAK üzerine adsorpsiyonuna ait hýz sabitleri ve gözenek difüzyon hýz sabitleri için elde edilen deðerler Tablo 3' de verilmiþtir. Tablo 2. Nikel in GAK üzerine adsorbsiyonuna ait hýz freundlich ve langmuir sabitleri (ph=5,5±,25) K n r Q o (mg/g) B (1/mg) r Tablo 3. Nikel in üzerine adsorbsiyonuna ait hýz sabitleri ve gözenek difuzyon hýz sabitleri. Konsantrasyon (M) veya (mg/l) k (sa -1 ) r k (sa -1 ) r 1 x 1-4 M (= 5.87 mg/l)) SONUÇ Bu çalýþmada, Ni (II) iyonunun sulu ortamdan Granül Aktif Karbon (GAK) ile giderilmesi, olaya etki eden bazý parametreler ve adsorpsiyon izotermi incelenmiþtir. Nikelin GAK adsorpsiyonu Freundlich izotermine daha çok uyduðu görülmektedir. GAK ile nikelin adsorpsiyon olayýnda, metal giriþ q e ( mg / g ) Ce ( mg / L) Þekil 6. Nikel çözeltisine ait adsorpsiyon izoterm eðrisi. konsantrasyonu, ph, temas süresi ve ligantlar önemli parametrelerdir. Ýlk 6 saat temas süresinin önemli kýsmýný teþkil etmekte olup, 8 saatte denge haline ulaþmaktadýr. Optimum ph 7 olarak tespit edilmiþtir. Adsorplanan madde miktarý aktif karbonun adsorplama kapasitesine baðlýdýr. Adsorplanan madde miktarý aktif karbonun yüzey alaný ile doðru orantýlýdýr. Yüzeyin gözenekli olmasý, kullanýlan aktif karbonun çapýnýn küçük olmasý adsorpsiyonu olumlu yönde etkiler. Aktif karbonun gözenek büyüklüðü, hacmi ve daðýlýmý adsorpsiyon izotermini etkiler. Freundlich ve Langmuir izotermleri ile adsorpsiyon kapasitesi belirlenebilir. Nikel adsorpsiyonuna doymuþ GAK'ýn desorpsiyonunu 2 ml 1 M'lýk H 2 SO 4 ile yapmak mümkün görünmektedir. Aktif karbon yüzeyine tutulan maddelerin deþarjý aktif karbonun tekrar kullanýmýna imkan saðladýðýndan aktif karbonla adsorpsiyon yöntemi ekonomik olabilir. Düþük metal konsantrasyonlarýnda (<1 mg metal/l) adsorpsiyon yüksek verimle gerçekleþmekle ve yaygýn olarak kullanýlmakla birlikte, çok düþük metal iyonlarý (<5 mg metal/l) deriþimleri için bu yöntem ekonomik ve kolay uygulanabilir bir yöntem olmaktan çýkabilir. Böyle durumlarda biyosorpsiyon yöntemi gibi yöntemler daha uygun olabilmektedir (Ýleri ve ark., 1993). Granül Aktif Karbon (GAK), sulu ortamlardaki ve endüstriyel atýksulardaki nikelin ve benzer aðýr metallerin giderilmesinde baþarý ile kullanýlabilir. KAYNAKLAR Anonymous (1985) Standart Methods for the Examination of Water and Wastewater. Sixteenth Edition, APHA, Ocak - Þubat - Mart 23, Sayý: 46 41

5 Ekoloji H.ÇOKADAR-R.ÝLERÝ-A.ATEÞ-B.ÝZGÝ AWWA, WPCF. Washington. Ardalý Y, Büyükgüngör H (1993) Pseudomonas aeruginosa Kullanýlarak Aðýr Metal Biyosorpsiyon Kinetiðinin Ýncelenmesi. Boðaziçi Üniv. Çevre Bilimler Ens. Çevre Bülteni, 1, Bard AJ (1966) Chemical Equlibrium. Harper & Row Pub., New York. Cebe M (1987) Fizikokimya. Cilt I, Uludað Üniversitesi, Bursa. Çokadar H, Ýleri R, Ateþ A, Ýzgi B (1999) Bakýr (II) Ýyonunun Sulu Ortamdan Granül Aktif Karbon Ýle Giderilmesi. Arýtým Dünyasý, 13, Çokadar H, Ýleri R, Artýr R, Ýzgi B (21) Sulu Ortamdan Çinko (II) Ýyonunun Granül Aktif Karbon Ýle Giderilmesi ve Kinetiði. Çevre Bilim & Teknoloji, 2, Deans RJ, Dixion, BG (1992) Uptake of Pb +2 and Cu +2 by Novel Biopolymers. Water Research. 26, Eckenfelder WW (1979) Technology for the Control of Toxic Pollutants from Industrial Wastewater Discharges. Third Turkish-German Enviromental Engineering Symposium, Ýstanbul,1-9. Eckenfelder WW (1991) Industrial Water Pollution Control. Second Edition, McGraw-Hill, Inc., New York. Ýleri R, Sümer B, Þengörür B (1993) Biyosorpsiyon Kinetiði ve Ýzotermlerinin Araþtýrýlmasý. Ekoloji Çevre Dergisi, 7, Sigword EA, Smith SB (1972) Adsorption of Inorganic Compounds by Activated Carbon. Journal AWWA, Suffern JS, Fitzgerald CM, Szluha AT (1981) Trace Metal Concentrations in Oxidation Ponds. Journal WPCF, 53, Tchobanoglous G, Burton FL (1991) Wastewater Engineering Treatment-Disposal-Reuse. Third Edition, McGraw-Hill Inc., New York, USA. Viraraghavan T, Rao GAK (1991) Adsorption of Cadmium and Chromium from Wastewater by Fly ash. J. Environ. Sci. Health, 26, 5, Ocak - Þubat - Mart 23, Sayý: 46 42