ISSN: 2148-0273 Cilt 5, Sayı 2, 2017 Vol. 5, Issue 2, 2017 Sabit Yataklı Kolonda Düşük Maliyetli Adsorbent ile Boyarmadde Giderimi Meral DALKILIÇ 1, Ensar OĞUZ 2 Özet Bu çalışmada balkabağı kabukları ile sabit yatak kolon sisteminde Reaktif Blue 21 boyasının sulu çözeltilerden giderimi araştırılmıştır. Yapılan çalışmalarda giriş çözeltisi başlangıç ph değeri, giriş Reaktif Blue 21 boya konsantrasyonu, yatak derinliği ve çözelti debilerinin atılım eğrileri üzerine etkileri araştırılmıştır. Ayrıca, sabit kolon çalışmalarında partiküllerin Zeta potansiyel değerleri araştırıldı. Reaktif Blue 21 boyar madde giriş konsantrasyonu 40 mg/l olduğu zaman kolon tükeniminde adsorpsiyon kapasitesi 17.6 mg/g olarak belirlendi. Anahtar kelimeler: balkabağı, adsorpsiyon, sabit kolon, reaktif blue 21, adsorpsiyon kapasitesi Removal of Dyestuff by Cost-Efficient Adsorbent İn The Fixed Bed Column Abstract In this study, removal of Reaktif Blue 21 dyestuff was researched from aqueous solutions using shells of Yellow Squash in the fixed bed column system. The effects of initial dyestuff concentration, ph, column depth and flow rate was investigated on the breakthrough curves. In addtition, zeta potantial values of particules before and after the fixed bed column studies. Adsorption capacity of adsorbent was defined as 17.6 mg/g as the initial dyestuff concentartion was 40 mg/l. Keywords: yellow squash, adsorption, fixed bed, reaktif blue 21, adsorption capacity 1 Lisans Öğrencisi, Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi. Çevre Mühendisliği Bölümü, Erzurum, e-mail: meral.utku@atauni.edu.tr 2* Ensar Oğuz, Prof.Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi. Çevre Mühendisliği Bölümü, Erzurum, e-mail:eoguz@atauni.edu.tr
Meral DALKILIÇ, Ensar OĞUZ 2 1. Giriş Tekstil endüstrileri, yaş dokuma prosesleri için çok büyük miktarlarda su ve kimyasal madde tüketmektedirler. Gerek boyamada gerekse diğer işlemlerde kullanılan bu organik ve inorganik formdaki bileşiklerin çeşitliliğine bağlı olarak, ortaya çıkan atıksuların özellikleri farklı olmaktadır. Alıcı ortama verilen renkli atıksular su ortamındaki ışık geçirgenliğini azaltır ve fotosentetik aktiviteyi olumsuz yönde etkiler. Ayrıca boyar maddelerin bazı sucul organizmalarda birikmesi toksik ve kanserojenik ürünlerin meydana gelme riskini de beraberinde getirmektedir (Correia ve ark., 1994). Renkli atık sular genellikle inert ve toksik olmayan bir düzeyde kabul edilebilen düşük bir yoğunlukta (konsantrasyonda) doğal su kaynaklarına deşarj edilir. Renkli atık sular, geleneksel fiziko-kimyasal ve biyolojik proseslerle arıtmadaki zorluk nedeniyle büyük bir çevresel problem oluşturur (El-Daly ve ark., 2003; Oğuz ve Keskinler, 2007). Toksik boya atıksularının giderimi için daha fazla çevre dostu, yüksek verimli ve uygun maliyetli atıksu arıtma teknolojilerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır (Karagözoğlu ve ark., 2007; Hameed ve ark., 2007). Uygun maliyetli boya giderim metodu bulmak için çok sayıda araştırma yapılmıştır. Düşük maliyetli malzemeler adsorbent olarak kullanıldığında adsorpsiyonun uygun maliyetli bir işlem olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmada ise, ucuz ve kolay elde edilebilir alternatif bir adsorbent ile sentetik sulu çözeltilerden boyar madde giderimi amaçlanmıştır. Çalışmada, dünyanın birçok yerinde olduğu gibi ülkemizde de yetişen balkabağı kabukları ile sürekli kolon sisteminde sentetik atıksulardan Reaktif Blue 21 boyarmaddesinin sabit kolonlu yatakta adsorpsiyonu incelenmiştir. 2. Materyal ve Yöntem Sabit kolon çalışmalarında Reaktif Blue 21 (RB 21) boyar maddesi kullanıldı. Bu boyar maddenin moleküler yapısı Şekil.1 de gösterilmiştir.
3 Sabit Yataklı Kolonda Düşük Maliyetli Adsorbent ile Boyarmadde Giderimi Şekil 1. Reaktif Blue 21 in Molekül Yapısı Boya çözeltileri damıtılmış su ile 100 mg/l stok çözeltiden farklı konsantrasyonlarda hazırlandı. Boyarmadde konsantrasyonları spektrofotometre (UV Spectrophotometer, Shimadzu 160A) kullanılarak belirlendi. Bu amaçla 1, 3, 5, 8, 10, 14, 16, 20 mg/l lik çözeltiler hazırlandıktan sonra çözeltilerin spektrumu referans suya karşı alındı. Şekil. 2 te görüldüğü gibi, 100 mg/l lik boyarmadde konsantrasyonu için en yüksek pik 627 nm de elde edildi. Şekil 2. RB 21 in Absorpsiyon Spektrumu Çalışmada adsorbent olarak balkabağı kabukları kullanıldı. Latincesi Cucurbita pepo olan kabak, Kabakgiller familyasından bir bitki olup Şekil 3 de gösterilmiştir. Adsorpsiyon çalışmalarında kullanılan balkabağı kabukları Erzurum daki üreticilerden temin edilmiştir. Balkabağı kabukları damıtılmış su ile beş defa yıkandıktan sonra yüzey kirliliği giderilmeye çalışıldı. Daha sonra, 120 saat boyunca açık havada kurutulup, küçük parçalara bölünüp blenderda öğütüldü.
Meral DALKILIÇ, Ensar OĞUZ 4 (a) Şekil 3. (a) Balkabağı, (b) öğütülmüş balkabağı kabukları (b) Yapılan deneylerde genel olarak 0.25-0.5 mm boyutundaki balkabağı kabukları kullanıldı. Sürekli sistem (kolon) çalışmaları, 5 cm, 10 cm ve 15 cm kolon derinliği ve 1 cm iç çapa sahip teflon kolonlarda gerçekleştirildi. Boya çözeltisi kolon sistemine Masterflex (Model 77200-60) marka peristaltik pompa yardımıyla alttan besleme suretiyle verilmiştir (Şekil 4). Şekil 4. Sürekli sistem adsorpsiyon çalışmalarında kullanılan deney düzeneği; (1) besleme tankı, (2) peristaltik pompa, (3) balkabağı kabuklarının kullanıldığı sabit yatak, (4) yatak koruyucusu, (5) örnekleme noktası, (6) çıkış suyunun toplandığı tank. Saf balkabağı ve boyalı balkabağı kabuklarının zeta potansiyel değerleri Zeta meter 3.0+ mikroelektroforez hücresi kullanılarak belirlendi.
5 Sabit Yataklı Kolonda Düşük Maliyetli Adsorbent ile Boyarmadde Giderimi 2.1. Kolon Deneyleri Sürekli sistem adsorpsiyon deneyleri 1 cm iç çapa sahip ve 5, 10 ve 15 cm yüksekliğindeki teflon kolonlarda gerçekleştirilmiştir. RB21 boyarmaddesi için 20 mg/l başlangıç konsantrasyonuna sahip boya çözeltileri peristaltik pompa kullanılarak istenilen bir akış hızıyla kolon boyunca yukarıya doğru pompalandı. Farklı zaman aralıklarında kolon çıkış suyundan alınan numunelerde Reaktif Blue 21 konsantrasyonları belirlendi. Çıkış suyu boya konsantrasyonu giriş suyu boya konsantrasyona eşitlendiğinde kolon sistemi sonlandırıldı. Kolonda gram (g) adsorbent başına tutulan miligram (mg) boya miktarı boya konsantrasyonuna bağlı olup adsorpsiyon eğrisi altındaki alandan eşitlik (1) kullanılarak hesaplanmıştır. C oq q = (1 C t m 1000 0 t C o ) dt (1) Denklemde; q tutulan boya miktarını (mg boya/g biyosorbent), Ct ve Co sırasıyla kolon çıkış konsantrasyonu ve kolona giriş boya konsantrasyonunu (mg/l), Q akış debisini (ml/dak), m kolondaki biyosorbent kütlesini (g) ve t biyosorpsiyon zamanını (dak) ifade etmektedir. 3. Araştırma Bulguları ve Tartışma 3.1. RB 21 Giderimine Giriş Boya Konsantrasyonunun Etkisi Balkabağı kabuğu ile yapılan sürekli sistemde giriş boya konsantrasyonunun atılım eğrilerine olan etkisi araştırıldı. RB 21 için giriş boyar madde konsantrasyonlarının ( 20, 30, 40 mg/l ) olduğu zaman atılım eğrileri Şekil 5 deki gibi belirlendi. Şekilden de görüldüğü gibi kolonun tükenme zamanında 20, 30, 40 mg/l lik boyar madde konsantrasyonları için adsorbent kapasiteleri 14, 15.2 ve 17.6 mg/g olarak belirlendi. Boyar madde konsantrasyonunun artması ile atılım eğrilerinin sola doğru kaydığı
Meral DALKILIÇ, Ensar OĞUZ 6 görülmektedir. Düşük RB 21 giriş konsantrasyonunda gözlemlenen atılım eğrileri yavaş oluşmuştur. Giriş konsantrasyonu arttıkça daha keskin atılım eğrileri elde edilmiştir. Şekil 5. Giriş boyarmadde konsantrasyonunun atılım eğrileri üzerine etkisi (m 1.2 g, Q 8 ml/dak, kolon derinliği 5 cm, partikül boyutu 0.25-0.5 mm, T 15 C, ph 2.5). 3.2. RB 21 Giderimine Çözelti ph sının Etkisi Yapılan ph deneylerinde çözelti ph değerindeki değişimin adsorpsiyon prosesi üzerine etkisi araştırılmıştır. Kolon derinliği 5 cm, giriş boyar madde konsantrasyonu 20 mg/l ve akış debisinin 5 ml/dak olduğu zaman 2.5, 3.5 ve 4.5 ph değerleri için kolon tükenimi sonunda adsorpsiyon kapasiteleri 14.6, 1.75 ve 0.91 mg/g olarak belirlenmiştir.
7 Sabit Yataklı Kolonda Düşük Maliyetli Adsorbent ile Boyarmadde Giderimi Şekil 6. Çözelti ph değerinin atılım eğrisi üzerine etkisi (C o 20 mg/l, m 1.2 g, Q 8 ml/dak, kolon derinliği 5 cm, partikül boyutu 0.25-0.5 mm, T 15 C). Çözelti ph sının hem adsorbent yüzeyindeki bağlanma bölgelerini hem de çözelti içindeki boyanın kimyasını etkilediği düşünülmüştür. Şekil 6 da farklı ph değerlerinde boyar maddenin atılım eğrileri üzerine etkisi gösterilmiştir. Düşük ph değerinde, boyar maddenin iyi adsorpsiyonunun sebebi, adsorbentin yüzeyindeki negatif yükün çözeltideki hidrojen iyonlarının fazlalığı sayesinde azalmasıdır. Adsorbent üzerindeki pozitif yüklü yüzey, elektrostatik ve kimyasal çekim sayesinde boyarmadde anyonlarının adsorpsiyonunu kolaylaştırmıştır (Malik, 2004; Akkaya ve Özer, 2005). Şekil 7 den görüldüğü gibi boyalı partiküllere ait zeta potansiyel değerleri aynı ph değerlerindeki normal balkabağı partiküllerin zeta potansiyel değerlerinden oldukça farklı bulunmuştur. Boyalı partiküllerin zeta potansiyel değerlerindeki değişmeler balkabağı partiküllerinin boyalı çözeltilerden boyarmadde giderdiğini göstermektedir.
Meral DALKILIÇ, Ensar OĞUZ 8 Şekil 7. Partiküllerin zeta potansiyellerinin çözelti ph sı ile değişimi. 3.3. RB 21 Boyar Madde Giderimine Kolon Derinliğinin Etkisi Araştırmalarda yatak yüksekliği 5 cm, 10 cm ve 15 cm olarak belirlenmiştir. Kolon derinliği çalışmalarında kolon derinliğinin artmasından dolayı basınç düşüşünün önüne geçebilmek için özellikle düşük boyutlu partiküllerin sabit yatakta kullanılması uygun görülmemiştir. Bu nedenle 0.5-1 mm aralığındaki partiküller sabit kolonlu yatakta kullanılmıştır. Çalışmalar sonucu elde edilen RB 21 nin atılım eğrileri Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 8. Kolon derinliğinin atılım eğrilerine etkisi (C o 20 mg/l, m 1.2 g, Q 8 ml/dak, partikül boyutu
9 Sabit Yataklı Kolonda Düşük Maliyetli Adsorbent ile Boyarmadde Giderimi 0.25-0.5 mm, T=15 C, ph 2.5). Boyar maddenin girişteki konsantrasyonu 20 mg/l de sabit tutularak 8 ml/dak lık bir akış hızında 5, 10 ve 15 cm lik çeşitli yatak derinliklerinde kolon tükenimi süresinde balkabağı partiküllerinin adsorpsiyon kapasiteleri sırası ile 10.25, 10.33 ve 10.40 mg/g olarak belirlenmiştir. 3.4. RB 21 Giderimine Akış Debisinin Etkisi Akış hızının 5 cm derinliğindeki sabit yatakta RB 21 nin adsorpsiyonu üzerine etkisi araştırılmıştır. RB 21 nin girişteki konsantrasyonu 20 mg/l de sabit tutularak RB 21 çözeltisinin akış hızı sırasıyla (8, 12, 16) ml/dak aralığında tutularak kolon tükenimi sonucunda adsorbent kapasiteleri sırası ile 14, 13.85 ve 13 mg/g olarak belirlenmiştir (Şekil 9). Daha yüksek bir akış hızı için daha erken bir atılım süresi ve doygunluk süresi gözlemlenmiştir. Şekil 9 da atılım süresi sonrasında sentetik çözeltideki RB 21 konsantrasyonunun hızla arttığı görülmektedir. Şekil 9. Akış debisinin atılım eğrileri üzerine etkisi (Co 20 mg/l, m 1.2 g, kolon yüksekliği 5 cm, partikül boyutu 0.25-0.5 mm, T 15 C, ph 2.5).
Meral DALKILIÇ, Ensar OĞUZ 10 Benzer bulgular farkı araştırmalarda da elde edilmiştir ( Hasfalina ve ark., 2010; Futalan ve ark., 2011). 4. Tartışma RB 21 için giriş boyarmadde konsantrasyonlarının (20, 30, 40 mg/l) olduğu zaman kolonun tükenme zamanında 20, 30, 40 mg/l lik boyarmadde konsantrasyonları için adsorbent kapasiteleri atılım eğrilerinden 14, 15.2 ve 17.6 mg/g olarak belirlendi. Kolon derinliği 5 cm, giriş boyarmadde konsantrasyonu 20 mg/l ve akış debisinin 5 ml/dak olduğu zaman 2.5, 3.5 ve 4.5 ph değerleri için kolon tükenimi sonunda adsorpsiyon kapasiteleri 14.6, 1.75 ve 0.91 mg/g olarak belirlenmiştir. Boyarmadde girişteki konsantrasyonu 20 mg/l de sabit tutularak 8 ml/dak lık bir akış debisinde 5, 10 ve 15 cm lik çeşitli yatak derinliklerinde kolon tükenimi süresinde balkabağı partiküllerinin adsorpsiyon kapasiteleri sırası ile 10.25, 10.33 ve 10.40 mg/g olarak belirlenmiştir. RB 21 nin girişteki konsantrasyonu 20 mg/l de sabit tutularak RB 21 çözeltisinin akış hızı sırasıyla ( 8, 12 ve 16 ) ml/dak aralığında tutularak kolon tükenimi sonucunda adsorbent kapasiteleri sırası ile 14, 13.85 ve 13 mg/g olarak belirlenmiştir. 5. Kaynakça Akkaya, G, Özer, A., (2005). Biosorption of Acid Red 274 (AR 274) on Dicranella varia: Determination of equilibrium and kinetic model parameters. Process Biochemistry, 40, 3559-3568. Correia, V.M. and Stephenson, T., Judd, S.J., (1994). Characterization of textile wastewaters: A review. Environmental Technology, 15: 917-919. El-Daly, A.H., Habib, M.F.A., El-Din, B.A.M., (2003). Kinetics and mechanism of the oxidativecolor removal from Durazol Blue 8G with hydrogen peroxide. Dyes and Pigments, 57: 197-210. Futalan, C.M., Kan, C.C., Dalida, M.L., Pascua,C., Wan, M.W., (2011). Fixed-bed column studies on the removal of copper using chitosan immobilized on bentonite. Carbohydrate Polymers, 83: 697-704.
11 Sabit Yataklı Kolonda Düşük Maliyetli Adsorbent ile Boyarmadde Giderimi Hameed, B.H., Din, A.T.M., Ahmad, A.L., (2007). Adsorption of methylene blue onto bamboobased activated carbon: kinetics and equilibrium studies. Journal of Hazardous Materials,141: 819, 825. Hasfalina, C.M., Maryam, R.Z., Luqman, C.A., Rashid, M., (2010). The potential use of kenaf as a biosorbent for the removal of Copper and Nikel from single and binary aqueous solution. Journal of Natural Fibres, 7: 267-275. Karagözoğlu, B., Taşdemir, M., Demirbaş, E., Kobya, M., (2007). The adsorption of basic dye (Astrazon Blue FGRL) from aqueous solutions onto sepiolite, fly ash and apricot shell activated carbon: kinetic and equilibrium studies. Journal of Hazardous Materials, 147: 297-306. Malik, P.K., (2004). Dye removal from wastewater using activated carbon developed from sawdust: adsorption equilibrium and kinetics. Journal of Hazardous Materials,113: 81-88. Oğuz, E., Keskinler, B. (2007). Comparison among O3, PAC adsorption, O3/HCO - 3, O3/H2O2 and O3/PAC processes for the removal of Bomaplex Red CR-L dye from aqueous solution. Dyes and Pigments, 74: 329-334.