Demir Oksit Kaplı Sepiolitle Sulu Çözeltilerden Nikel ve Kadmiyum Giderimi Ceren Akın YÜKSEK LİSANS TEZİ Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Temmuz 2015 Removal of Nickel and Cadmium from Aqueous Solutions by Iron Oxide Coated Sepiolite Ceren Akın MASTER OF SCIENCE THESIS Department of Chemical Engineering July 2015 Demir Oksit Kaplı Sepiolitle Sulu Çözeltilerden Nikel ve Kadmiyum Giderimi Ceren Akın Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ Olarak Hazırlanmıştır Danışman: Yrd. Doç. Dr. İlker Kıpçak Temmuz 2015 ONAY Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans öğrencisi Ceren Gürakan Akın’ın YÜKSEK LİSANS tezi olarak hazırladığı “Demir Oksit Kaplı Sepiolitle Sulu Çözeltilerden Nikel ve Kadmiyum Giderimi” başlıklı bu çalışma, jürimizce lisansüstü yönetmeliğin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek oybirliği ile kabul edilmiştir. Danışman : Yrd. Doç. Dr. İlker Kıpçak İkinci Danışman : - Yüksek Lisans Tez Savunma Jürisi: Üye : Yrd. Doç. Dr. İlker Kıpçak Üye : Prof. Dr. Mehmet Rıza Altıokka Üye : Prof. Dr. Osman Sermet Kabasakal Üye : Prof. Dr. Mine Özdemir Üye : Yrd. Doç. Dr. Ceyda Bilgiç Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ............................. tarih ve ........................ sayılı kararıyla onaylanmıştır. Prof. Dr. Hürriyet ERŞAHAN Enstitü Müdürü ETİK BEYAN Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kılavuzuna göre, Yrd. Doç. Dr. İlker Kıpçak danışmanlığında hazırlamış olduğum “Demir Oksit Kaplı Sepiolitle Sulu Çözeltilerden Nikel ve Kadmiyum Giderimi” başlıklı YÜKSEK LİSANS tezimin özgün bir çalışma olduğunu; tez çalışmamın tüm aşamalarında bilimsel etik ilke ve kurallara uygun davrandığımı; tezimde verdiğim bilgileri, verileri akademik ve bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olarak elde ettiğimi; tez çalışmamda yararlandığım eserlerin tümüne atıf yaptığımı ve kaynak gösterdiğimi ve bilgi, belge ve sonuçları bilimsel etik ilke ve kurallara göre sunduğumu beyan ederim. 30/07/2015 Ceren Akın İmza vi ÖZET Bu çalışmada, demir oksit kaplı sepiolitle sulu çözeltilerden adsorpsiyon yöntemiyle nikel ve kadmiyum giderimi araştırılmıştır. En uygun giderim koşullarının belirlenmesi amacıyla deneyler her iki metal için kesikli olarak gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon mekanizmasını etkileyen adsorban dozajı, pH, temas süresi, başlangıç çözelti derişimi ve sıcaklık parametrelerinin adsorpsiyon verimine etkileri araştırılmıştır. Her iki iyon için kinetik, izoterm ve termodinamik incelemeler yapılmıştır. 50 mg/L başlangıç derişimi için en uygun adsorban dozajı nikel için 0,10 g/50 mL, kadmiyum için ise 0,05 g/50 mL olarak belirlenmiştir. Her iki iyon için en uygun pH değerinin 6 olduğu bulunmuştur. Nikel gideriminde 720 dakikada, kadmiyum gideriminde ise 960 dakikada adsorpsiyon dengesine ulaşılmıştır. Nikel ve kadmiyum adsorpsiyon mekanizmalarının Langmuir izoterm modeline ve yalancı ikinci dereceden kinetik modele uyum gösterdiği belirlenmiştir. 25oC sıcaklıkta nikel ve kadmiyum giderimi için maksimum adsorpsiyon kapasiteleri sırasıyla 46,95 mg/g ve 98,04 mg/g olarak bulunmuştur. Ayrıca, adsorpsiyon sürecinin endotermik olduğu ve kendiliğinden gerçekleştiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, demir oksit kaplı sepiolitin sulu çözeltilerden nikel ve kadmiyum iyonlarının giderilmesinde etkili ve ekonomik bir adsorban olarak kullanılabileceği yargısına varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyon, Demir oksit, Sepiolit, Nikel, Kadmiyum vii SUMMARY In this study, the removal of nickel and cadmium ions from aqueous solutions by adsorption using iron oxide coated sepiolite was investigated. Batch experiments were conducted for both metals to determine the optimum removal conditions. The effects of adsorbent dosage, pH, contact time, initial solution concentration and temperature parameters on the adsorption yield were investigated. Adsorption isotherms, kinetic and thermodynamic analyses were carried out for both ions. For 50 mg/L initial concentration, the optimum adsorbent dosages for nickel and cadmium were determined as 0.10 g/50 mL and 0.05 g/50 mL, respectively. The optimum pH was found as 6 for both ions. The adsorption equilibrium was reached within 720 minutes for nickel and 960 minutes for cadmium. It was determined that the nickel and cadmium adsorption processes obeyed the Langmuir isotherm model and the pseudo-second-order kinetic model. The maximum adsorption capacities for nickel and cadmium ions at 25°C were found as 46.95 mg/g and 98.04 mg/g, respectively. In addition, it was observed that the adsorption process was endothermic and spontaneous in nature. Consequently, the iron oxide coated sepiolite can be used as an efficient and economic adsorbent for the removal of nickel and cadmium ions from aqueous solutions. Keywords: Adsorption, Iron oxide, Sepiolite, Nickel, Cadmium viii TEŞEKKÜR Akademik yolda attığım ilk adımdan bu aşamaya kadar geçen süreçte bana yol gösteren, gerekli bilgiye ulaşma ve kat ettiğim yolda bu donanımı doğru şekilde kullanarak, bilgi ve desteğini esirgemeyen tez danışmanım ve değerli hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. İlker Kıpçak’a, Karakterizasyon aşamasında, FTIR analizlerini gerçekleştiren Sayın Yrd. Doç. Dr. Ceyda Bilgiç’e ve BET analizlerini gerçekleştiren Sayın Doç. Dr. Hakan Demiral’a, Eğitim hayatım boyunca hiçbir desteği esirgemeyen, her aşamasında daima yanımda olan değerli aileme, Lisans, yüksek lisans ve sonrasındaki hayatımda her koşulda yanımda olan ve özellikle tez aşamasında fedakarlığını eksik etmeyen değerli eşim Mehmet Emre Akın’a minnetle teşekkürlerimi sunarım. Ceren Akın ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ................................................................................................................................... vi SUMMARY ........................................................................................................................ vii TEŞEKKÜR ...................................................................................................................... viii ŞEKİLLER DİZİNİ .......................................................................................................... xii ÇİZELGELER DİZİNİ .................................................................................................... xiv SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ................................................................... xvi 1. GİRİŞ VE AMAÇ ............................................................................................................ 1 2. SEPİOLİT ........................................................................................................................ 3 2.1. Kristal Yapısı ............................................................................................................. 3 2.2. Fiziksel Özellikleri ..................................................................................................... 4 2.3. Adsorpsiyon Özelliği ................................................................................................. 5 2.4. Yüzey Alanı Modifikasyonları .................................................................................. 7 2.5. Dünyada ve Türkiye’de Sepiolit ................................................................................ 8 2.5.1. Dünyadaki sepiolit rezervleri ve üretim ............................................................. 8 2.5.2. Türkiye’deki sepiolit rezervleri ve üretim.......................................................... 8 2.6. Sepiolitin Kullanım Alanları ...................................................................................... 9 2.6.1. Adsorban olarak kullanımı ............................................................................... 10 2.6.2. Katalitik uygulamalarda kullanımı ................................................................... 11 2.6.3. Reolojik özelliklerden dolayı kullanımı ........................................................... 12 2.6.4. Dolgu malzemesi olarak kullanımı .................................................................. 12 2.6.5. Diğer kullanım alanları .................................................................................... 13 3. AĞIR METALLER ....................................................................................................... 14 3.1. Nikel ......................................................................................................................... 15 3.2. Kadmiyum ............................................................................................................... 17 x İÇİNDEKİLER (devam ediyor) Sayfa 4. ADSORPSİYON ............................................................................................................ 20 4.1. Adsorpsiyon Türleri ................................................................................................. 22 4.1.1. Fiziksel adsorpsiyon ......................................................................................... 22 4.1.2. Kimyasal adsorpsiyon ...................................................................................... 23 4.1.3. İyonik adsorpsiyon ........................................................................................... 23 4.2. Adsorpsiyonu Etkileyen Etkenler ............................................................................ 24 4.2.1. Adsorblanan madde .......................................................................................... 24 4.2.2. Adsorban yapısı ................................................................................................ 24 4.2.3. pH ..................................................................................................................... 25 4.2.4. Sıcaklık ............................................................................................................. 25 4.2.5. Karıştırma hızı .................................................................................................. 26 4.2.6. Temas süresi ..................................................................................................... 26 4.3. Adsorpsiyon İzotermleri .......................................................................................... 27 4.3.1. Langmuir izoterm modeli ................................................................................. 27 4.3.2. Freundlich izoterm modeli ............................................................................... 29 4.4. Adsorpsiyon Kinetiği ............................................................................................... 30 4.5. Adsorpsiyon Termodinamiği ................................................................................... 32 5. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI .................................................................................... 33 6. MATERYAL VE YÖNTEM ........................................................................................ 38 6.1. Adsorbanın Hazırlanması ........................................................................................ 38 6.2. Karakterizasyon Çalışmaları .................................................................................... 39 6.3. Deney Yöntemi ........................................................................................................ 40 6.3.1. Adsorban dozajının etkisi ................................................................................. 41 6.3.2. Başlangıç pH’ının etkisi ................................................................................... 41 6.3.3. Temas süresi ve sıcaklığın etkisi ...................................................................... 41 6.3.4. Başlangıç çözelti derişimi ve sıcaklığın etkisi ................................................. 42