TÜBİTAK BİDEB KİMYA LİSANS ÖĞRENCİLERİ KİMYAGERLİK, KİMYA ÖĞRETMENLİĞİ, KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BİYOMÜHENDİSLİK ARAŞTIRMA PROJESİ KİMYA 3 (Çalıştay 2012) KİMYA PROJE RAPORU GRUP AKTİF PROJE ADI BOYAR MADDELERDE AKTİF KARBONUN ADSORPLANMA ÖZELLİĞİNE HİDROJEN PEROKSİTİN ETKİSİ PROJE EKİBİ Özlem YURDAKUL Hüseyin ÇELİK PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Nevin GÜRBÜZ Prof. Dr. Halit DEMİR MALATYA 29 HAZİRAN 8 TEMMUZ 2012 1
PROJENİN AMACI Bu çalışmada aktif karbonun boya giderme sürecine ilişkin adsorpsiyonda, hidrojen peroksit ve ph etkisi incelendi. 1. GİRİŞ Boyar maddeler eski çağlarda hayvan ve bitkilerden elde ediliyordu. Günümüzde ise özellikle tekstil endüstrisinde boyamada renk verici madde olarak kullanılmaktadır [1]. Tekstil endüstrisi ülkemizde hızla gelişen önemli sanayi dallarından biri olmaktadır [2]. Dolayısıyla boyar maddeler, moleküler özellikleri ve çevresel açıdan taşıdıkları önem nedeni ile araştırılması ve arıtma seçeneklerinin ortaya konulması açısından büyük önem taşımaktadır. Endüstride çeşitli üretim prosesleri atık su oluşumuna sebep olmaktadır ki, bu atık suların en belirgin özelliği boyar madde içermesidir. Bunun giderilmesi için fiziksel, kimyasal ve biyolojik arıtma gibi yöntemler uygulanmaktadır. Kimyasal arıtma sistemlerinden biri de adsorpsiyondur [3]. Yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbanlar arasında çevre kirliliğini kontrol amacıyla, şu anda kullanılan adsorbanların en önemlisi yüksek gözenekliliğe sahip aktif karbonlardır. Aktif karbon, büyük kristal şekli ve oldukça geniş iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanları tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Aktif karbonlar, çözeltideki molekül ve iyonları gözenekleri vasıtasıyla iç yüzeylerine doğru çekebilirler ve bu yüzden adsorban olarak adlandırılır [4]. Bu çalışmada kullanılan metilen mavisi parlak yeşilimsi mavi renkte ve katyonik bir boyar maddedir. Dimetilanilinden elde edilir [5]. Metilen mavisinin moleküler yapısı şu şekildedir [6]: Atık sularda renk giderme üzerine bazı çalışmalar yapılmasına rağmen boyar maddelerde hidrojen peroksitin etkisi incelenmemiştir. Hidrojen peroksit kuvvetli yükseltgen özelliğe sahip olduğundan adsorplama verimini artıracağı düşüncesiyle bu çalışmanın yapılmasına karar verilmiştir [7]. 2
2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Kullanılan Materyaller Proje sürecinde kullanılan materyal ve kimyasallar aşağıda verilmiştir. Metilen mavisi %1 lik hidrojen peroksit 20 g aktif karbon %37 lik HCl 10 g NaOH katısı 10 adet düz tabanlı kısa boylu cam balon 1 adet 10 ml lik pipet 1 adet puar 1 adet 5 ml lik mezür 1 adet 100 ml lik mezür Su banyosu Spektrofotometre cihazı (UV) 12 adet santrifüj tüpü Santrifüj cihazı Saf su Hassas terazi 1 adet spatül 1000 ml lik balonjoje Agar havan 2.2. Çözeltilerin Hazırlanışı İlk önce bu deney için standart 250 ppm metilen mavisi çözelti hazırlandı. 1000 ml lik balonjojeye biraz saf su konulduktan sonra 0,25 g metilen mavisi eklenip 1000 ml ye tamamlandı. Bu çözeltiden 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numuneler alındı. Ayrıca kör numune de hazırlandı. Hazırlanan çözelti ve bu çözeltiden alınan numuneler Şekil 1 de gösterilmiştir. 3
Şekil 1: Hazırlanan metilen mavisi çözeltisi ve alınan numuneler 2.3. Spektrofotometre İle Dalga Boyununun Ölçülmesi Hazırlanan numunelerin 666 nm de dalga boyları Şekil 2 de gösterilen spektrofotometre cihazında ölçülerek kalibrasyon çizelgesi hazırlandı. Şekil 2: Spektrofotometre cihazı (UV) 4
2.4. Aktif Karbon Etkisi Alınan numunelere 0,1 g aktif karbon eklendi ve su banyosunda yaklaşık 50 o C de, 40 dk bekletildi. Daha sonra bu numunelerden 10 ar ml örnekler alınarak Şekil 3 te gösterilen santrifüj tüplerine konuldu ve santrifüjlendi. Santrifüjlenen numunelerin 666 nm de spektrofotometre cihazında absorbansları ölçüldü. Şekil 3: Santrifüj tüpüne alınan numuneler ve santrifüj cihazı 2.5. Hidrojen Peroksit Etkisi Laboratuvarda bulunan %50 lik hidrojen peroksit çözeltisinden %1 lik hidrojen peroksit çözeltisi hazırlandı. Farklı derişimlerdeki kör numune ve 50, 100, 150, 200, 250 ppm lik çözeltilere %1 lik hidrojen peroksit konuldu. Hidrojen peroksitli çözeltiler su banyosuna konuldu ve yaklaşık olarak 50 o C de, 40 dk bekletildi. Su banyosundan çıkarılan numunelerden 10 ar ml alınıp santrifüj tüplerine konularak 2000 dev/dk da 3 dk süreyle santrifüjlendi. Santrifüjlenen numunelerin 666 nm de spektrofotometre cihazında absorbansları ölçüldü. 2.6. Asidik Ortamın Adsorplanmaya Etkisi Hazırlanan 250 ppm lik çözeltiden 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numuneler hazırlandı ve her bir numuneye 0.1 g aktif karbon ilave edildi. Bu çözeltilere %1 lik hidrojen peroksit eklendi. Su banyosuna konularak yaklaşık 50 o C de 40 dk bekletildi. Bu süre sonunda çözeltilerden santrifüj tüpüne 10 ar ml örnek alınarak santrifüjleme işlemi gerçekleştirildi. 5
Santrifüjlenen numunelerin 666 nm de spektrofotometre cihazında absorbansları ölçüldü. Numunelere 0.1 ml %37 lik HCl çözeltisi eklenip spektrofotometre cihazında absorbansları ölçüldü. 2.7. Bazik Ortamın Adsorplanmaya Etkisi Hazırlanan 250 ppm lik çözeltiden 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numuneler hazırlandı ve her bir numuneye 0.1 g aktif karbon ilave edildi. Bu çözeltilere %1 lik hidrojen peroksit eklendi. Su banyosuna konularak yaklaşık 50 o C de 40 dk bekletildi. Bu süre sonunda çözeltilerden santrifüj tüpüne 10 ar ml örnek alınarak santrifüjleme işlemi gerçekleştirildi. Santrifüjlenen numunelerin 666 nm de spektrofotometre cihazında absorbansları ölçüldü. Daha sonra bu numunelere 0.1 M lık NaOH katısı eklendi ve 40 dk su banyosunda bekletildi. Su banyosundan çıkarılan numunelerin her birinden 10 ar ml lik örnekler alınarak absorbansları ölçüldü. Şekil 4: Hazırlanan çözelti ve alınan numunelerden genel bir görünüm 6
Ab sorbans 3. BULGULAR Adsorplanan boyar madde derişimlerini belirlemek üzere standart çalışma grafiği çizildi. Bu amaçla 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numunelerin 666 nm de absorbansları ölçüldü. Elde edilen veriler Çizelge 1 de, grafikler de Şekil 5 te gösterilmiştir. Çizelge 1: Metilen mavisi çözeltisine ait kalibrasyon çizelgesi Çözelti miktarı, C o Absorbans 50 ppm 0.754 100 ppm 1.440 150 ppm 2.173 200 ppm 2.310 250 ppm 2.783 3.5 Standart Çalışma Grafiği 3 2.5 2 1.5 y = 0.0099x + 0.4136 R² = 0.9535 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 Derişim (ppm) Şekil 1: Standart çalışma grafiği Aktif karbonla etkileştirilen 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numunelerin 666 nm de absorbansları ölçüldü. Ölçülen absorbans değerleri standart çalışma grafiği ve denklemi 7
kullanılarak derişime dönüştürüldü. Hesaplanan derişim değerlerinden adsorplanan boyar madde miktarı belirlendi. Elde edilen veriler Çizelge 2 de gösterilmiştir. Çizelge 2: Aktif karbonlu çözeltilerin absorbans ölçümleri Başlangıç Başlangıç Son derişimi, C o Absorbansı Absorbans Son derişim Madde giderimi 50 ppm 0.754 0.218 20 ppm 60 100 ppm 1.440 1.129 72 ppm 28 150 ppm 2.173 1.602 120 ppm 20 200 ppm 2.310 1.740 133 ppm 33 250 ppm 2.783 1.770 137 ppm 45 C d % Aktif karbon ve hidrojen peroksitle etkileştirilen 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numunelerin 666 nm de absorbansları ölçüldü. Ölçülen absorbans değerleri standart çalışma grafiği ve denklemi kullanılarak derişime dönüştürüldü. Hesaplanan derişim değerlerinden adsorplanan boyar madde miktarı belirlendi. Elde edilen veriler Çizelge 3 de gösterilmiştir. Çizelge 3: Aktif karbon ve hidrojen peroksitli çözeltilerin absorbans ölçümleri Başlangıç Başlangıç Son derişimi, C o Absorbansı Absorbans Son derişim Madde giderimi 50 ppm 0.754 0.155 26 48 100 ppm 1.440 1.054 64 36 150 ppm 2.173 1.573 117 22 200 ppm 2.310 2.057 166 17 250 ppm 2.783 2.490 210 16 C d % Asidik ortamda aktif karbon ve hidrojen peroksitle etkileştirilen 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numunelerin 666 nm de absorbansları ölçüldü. Ölçülen absorbans değerleri standart çalışma grafiği ve denklemi kullanılarak derişime dönüştürüldü. Hesaplanan derişim değerlerinden adsorplanan boyar madde miktarı belirlendi. Elde edilen veriler Çizelge 4 de gösterilmiştir. 8
Çizelge 4: Asidik ortamın adsorplanmaya etkisi Başlangıç derişimi, C o Başlangıç Absorbansı Son Absorbans Son derişim Madde giderimi 50 ppm 0.754 0.134 28 44 100 ppm 1.440 1.121 71 29 150 ppm 2.173 1.530 112 25 200 ppm 2.310 2.100 170 15 250 ppm 2.783 2.640 225 10 C d % Bazik ortamda aktif karbon ve hidrojen peroksitle etkileştirilen 50, 100, 150, 200 ve 250 ppm lik numunelerin 666 nm de absorbansları ölçüldü. Yapılan hesaplamalar sonucunda %99 civarında verim elde edildi. Çizelge 5: Bazik ortamın adsorplanmaya etkisi Başlangıç Başlangıç Son derişimi, C o Absorbansı Absorbans Son derişim Madde giderimi 50 ppm 0.754 0.028 1.86 96 100 ppm 1.440 0.026 1.80 98 150 ppm 2.173 0.024 1.66 99 200 ppm 2.310 0.027 1.88 99 250 ppm 2.783 0.019 1.70 99 C d % 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Adsorpsiyon; atom, iyon ya da moleküllerin bir katı yüzeyinde tutulması olayıdır. Yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbanlar arasında çevre kirliliğini kontrol amacıyla, şu anda kullanılan adsorbanların en önemlisi yüksek gözenekliliğe sahip aktif karbonlardır. Aktif karbon, büyük kristal şekli ve oldukça geniş iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanları tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Aynı miktarda kullanılan aktif karbonun, hazırlanan çözeltilerdeki derişim miktarı arttıkça adsorplanan madde miktarı azalmaktadır. Örneğin 50 ppm de adsorplanma oranı %60 iken 200 ppm de %33 e düşmüştür. Aktif karbon ve hidrojen peroksitle etkileştirilen çözeltilerde adsorplanma etkisinin azaldığı yapılan deneysel çalışma ve hesaplamalar sonucunda açıkça görülmektedir. 50 ppm de çözeltide aktif 9
karbon kullanıldığında %60 adsorplanma gerçekleşirken, aktif karbon ve hidrojen peroksit birlikte kullanıldığında adsorplanma oranı %48 olmuştur. Aynı şekilde asidik ortamda aktif karbon ve hidrojen peroksit kullanıldığında adsorplanma oranı daha da düşmüştür. Buna karşılık bazik ortamın adsorplanmada artışa neden olduğu gözlenmiştir. Bazik ortamdaki etkileşim sonucunda % 96-99 oranında adsorplanma olduğu gözlenmiştir. TEŞEKKÜR May Çalıştayları koordinatörü Prof. Dr. Mehmet AY a, proje kapsamında engin bilgileriyle bize yardımcı olan danışmanlarımız Prof. Dr. Nevin GÜRBÜZ, Prof. Dr. Halit DEMİR ve Teknisyen Zeynel ŞAHİN e, tüm çalıştay ekibine, konuk katılımcılara ve katkılarından dolayı TÜBÜTAK a teşekkür ederiz. KAYNAKLAR [1] http://www.turkcebilgi.com/ansiklopedi/boyarmaddeler [2] Hanay, Ö. ve Hasar, H., "Fenton Oksidasyon Prosesi İle Tekstil Endüstrisi Atık Suyunda Renk Giderimi", Fırat Üniv., Fen ve Müh. Bil. Dergisi, 19(4), 505-509, 2007. [3]www.msxlabs.org/forum/soru-cevap/243563-atıksu-arıtma-yontemleri-nelerdir.html [4]http://www.kimyaevi.org/TR/Genel/BelgeGoster.aspx?F6E10F8892433CFF8007620E7D5 602E8572D351204A6037B [5] http://www.turkcebilgi.com/ansiklopedi/metilen_mavisi [6] http://en.wikipedia.org/wiki/methylene_blue [7] Ölmez, T., Kabdaşlı, I., ve Tünay, O., " Tekstil endüstrisi reaktif boya banyolarında odun ile renk giderimine etki eden faktörlerin belirlenmesi ", SKKD, Cilt 13, Sayı 1, 19-24.2003. 10
GRUP ÜYELERİNİN ÖZGEÇMİŞLERİ Hüseyin ÇELİK (İnönü Üniversitesi MALATYA) 1987 yılında Kahramanmaraş ın Afşin ilçesinde doğdu. İlkokul, ortaokul ve liseyi Afşin de tamamladı. Üniversiteyi Malatya İnönü Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği bölümünde okudu ve 2012 yılında mezun oldu. Özlem YURDAKUL (Atatürk Üniversitesi ERZURUM) 1987 yılında İstanbul Şişli de doğdu. İlkokul, ortaokul ve liseyi Kocaeli Gebze ilçesinde tamamladı. Şu anda Erzurum Atatürk Üniversitesi Eğitim Fakültesi Kimya bölümünde 4. sınıfta okumaktadır. 11