Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 TERMİK SANTRAL UÇUCU KÜL TİPLERİNİN ATIKSULARDAKİ FENOLÜN ADSORPSİYON YÖNTEMİ İLE GİDERİM ETKİNLİKLERİNİN * KARŞILAŞTIRILMASI The Comparıson of Phenol Removal From Wastewater wıth Thermal Power Plant Fly Ash Types By Adsorpıon Özlem DİNÇYÜREK Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı Belgin BAYAT Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışmada, evsel atıksudaki fenolün, Afşin Elbistan, Seyitömer ve Soma uçucu külleri kullanılarak yapılan adsorpsiyon işlemi ile giderilmesi başlangıç pH, çalkalama süresi ve adsorban dozunun bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Uçucu küllerin adsorban etkinliği ticarette adsorban olarak kullanım alanına sahip toz aktif karbon ile karşılaştırılmıştır. Deneysel bulgular fenol adsorpsiyonunda optimum pH ın Afşin-Elbistan, Seyitömer uçucu külleri ve toz aktif karbon için 5, Soma uçucu külü için 6 olduğunu göstermiştir. Bu optimum pH değerinde denge koşullarına 6 saatte ulaşılmıştır. Uçucu küller (Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma) ve toz aktif karbon için denge koşullarında sırasıyla %65, % 80, %55, %85 fenol giderimi sağlanmıştır. Deneysel verilerin adsorpsiyon izotermlerine göre değerlendirilmesi sonucunda her dört adsorbanında Langmuir izotermine daha iyi uyduğu belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyon, Uçucu Kül, Aktif Karbon, Atıksu, Fenol, ABSTRACT In this work, The adsorption of phenol from municipal wastewater onto fly ashes (Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma) was examined as a function of inital pH, contact time and adsorbent dosages. Effectivenes of fly ashes was compared with activated carbon known as a conventional adsorbents. Experimental data showed that optimum pH for Afşin-Elbistan, Seyitömer fly ashes and activated carbon was 5, for Soma fly ash was 6. The equilibrium conditions were reached about 6 hours shaking time at optimum pH for all adsorbents. The maximum phenol removal for all fly ash types (Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma) and activated carbon was found 65 %, 80 %, 55% and 85%, respectively. The adsorbation data were fitted better to the Langmuir izoterm since the correlation coefficients for Langmuir izoterm were higher than that for the Freundlich izoterm. Key Words: Adsorption, Fly ashes, Activated Carbon, Wastewater, Phenol Giriş *Yüksek Lisans tezi-M.Sc. Thesis 71 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Fenol, en zehirli 126 kimyasalın içinde 11. sırada yer alan bir maddedir. Sularda ppm mertebesinde bile olsa klorlanması esnasında belirgin bir tad ve koku değişikliğine sebep olur. Ayrıca insan sağlığı için son derece zararlı bir maddedir. Toksik organik bir bileşik olan fenolün kaynakları öncelikle petrol rafinerisi, kimya ve plastik endüstrisi gibi endüstriler ve evsel atıksular olmasına rağmen doğal olarak da sularda bulunur. Toksik etkileri olan fenoller su kaynaklarındaki çözünmüş oksijen konsantrasyonunun azalmasına ve böylece sudaki yaşam koşullarının kötüleşmesine ve ayrıca klor ile reaksiyon yapıp klor-fenol bileşikleri meydana getirerek içme sularında istenmeyen tat ve kokuya sebep olduklarından mutlaka su ve atıksulardan belirtilen standartlara uygun olarak giderilmesi gerekir (Muslu,1985). Petrol rafinerileri, kok, ilaç, boya, plastik, insektisit, pestisit ve kağıt endüstrisi atıksularında istenmeyen derişimlerde bulunan fenol ve türevlerinin giderilmesinde kullanılan yöntemlerden biri adsorpsiyondur. Bu yöntemde kullanılacak olan adsorban seçimi ve dozları gerek arıtma verimi gerekse maliyet açısından çok önemlidir. Bu güne kadar iyi sonuç alınan adsorpsiyon çalışmaların çoğu aktif karbon ile yapılanlardır. Aktif karbon büyük bir yüzey alanına sahiptir, pahalı bir adsorbandır ve elde edilişi zahmetlidir. Bu yüzden atıksu arıtılmasında ucuz, kolay elde edilebilir, adsorpsiyon kapasitesi yüksek alternatif adsorbanların araştırılmasına gidilmiştir. Termik santral uçucu külü bu alternatiflerden birisidir (Huang ve Blankenship, 1984; Viraraghavan ve Rao,1991). Uçucu kül; yüksek karbon içeriği, birim hacimdeki geniş yüzey alanı ve içerdiği alüminyum (Al), demir (Fe), kalsiyum (Ca), magnezyum (Mg), silisyum (Si) gibi elementlerden dolayı bir çok organik ve inorganik kirleticiyi uzaklaştırma kabiliyetine sahiptir. Mavros ve ark. (1993), adsorpsiyon işlemi ile atıksulardan nikel elementinin gideriminde linyit kömürü ile çalışan Kardia ve Megalopous termik santrallerinin yüksek kalsiyum (CaO) içeren uçucu küllerini kullanmışlar ve uçucu küllerin atıksularda nikel iyonlarının gideriminde ticari alanda yaygın halde kullanılan aktif karbon ve sentetik zeolit kadar etkili olduğunu belirtmişlerdir. Alemany ve ark. (1996), termik santrallerden çıkan uçucu küllerin sudaki fenol giderimi üzerine etkinliğini değerlendirmek amacıyla üç farklı pH ve sıcaklıkta adsorbsiyon deneyleri gerçekleştirmişler ve pH ile sıcaklığın fenol adsorpsiyonunda önemli derecede etkin olduğunu saptamışlardır. Akgerman ve Minoo (1996) sulardaki fenol, 3-klorofenol ve 2,4 diklorofenolün uçucu kül ile adsorpsiyon izotermleri üzerinde yaptıkları çalışmalarda uçucu külün sırasıyla 60, 20, 22 mg/g kirletici adsorpladığını ve fenolün uçucu küle diğer iki kirleticiye oranla daha fazla ilgi gösterdiğini tespit etmişlerdir. Tzeng ve Huang (2000), uçucu külün klorofenollerin adsorpsiyonunda partikül boyutuna, karbon içeriğine ve özgül yüzey alanına göre etkinlik gösterdiğini bildirmişlerdir. Çalışmalarında beklenildiği üzere ortam pH ına bağlı olarak karbon içeriği ve özgül yüzey alanının daha fazla olduğu uçucu kül örneklerinde daha fazla fenol adsorpsiyonu olduğunu tespit etmişlerdir. 72 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Bu çalışmada Afşin-Elbistan, Seyitömer, ve Soma uçucu külleri kullanılarak fenolün sulu çözeltiden (evsel atıksu) adsorpsiyonu, ortam pH nın, temas süresinin ve adsorban dozunun fonksiyonu olarak incelenmiş ve elde edilen değerler ticari kullanımı yaygın olan toz aktif karbon değerleriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca adsorplama işleminden elde edilen verilerin hangi izoterm eğrilerine uygunluğu üzerine çalışılmış ve böylece verilerin en iyi olduğu izoterm denklemi belirlenmiştir. Materyal ve Metot Evsel Atıksu Deneysel çalışma boyunca kullanılan evsel atıksular Adana şehir kanalizasyon şebekesinden (Balcalı Kampüsü, Fevzi Çakmak Öğrenci Yurdu) Nisan 2003- Temmuz 2003 ve Şubat 2004-Ocak 2005 ayları içerisinde 2 saatlik kompozit numuneler şeklinde alınmıştır. Bütün numuneler deneyde taze su kullanabilmek için sabah 9 ile 10 saatleri arasında temin edilmiştir. Deneysel çalışmada kullanılan evsel atıksu Metcalf ve Eddy (1991) nin belirlediği evsel atıksu sınıflandırmasına göre orta-zayıf karekterli atıksu sınıfına girmektedir. Çizelge 1. Deneysel Çalışmada Kullanılan Evsel Atıksuyun Özellikleri Özellikler Aralık o Sıcaklık ( C) 20-22 pH 7,5-8,5 Eİ (µS/cm) 600-1670 KOİ (mg/L) 250-719 BOİ5 (mg/L 150-371) AKM (mg/L) 100-219 TKN (mg/L) 39-42 Fenol (µg/lo) 100-120 Bulanıklık (TE/F) 50-100 Uçucu Kül Bu çalışmada, Türkiye’nin çeşitli termik santrallerinden (Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma) temin edilen uçucu küller kullanılmıştır. Kullanılan uçucu küllerin kimyasal özellikleri ve bileşenlerinin sudaki çözünürlükleri Çizelge 2 de verilmiştir (Bayat, 1998). Hidroflorik asit (HF) eritişi içeren yaş kimyasal analiz ve atomik absorbsiyon spektrofotometre (ASS) (Perkin Elmer, Model 3100) kullanılarak yapılan elemental analiz sonuçlarına göre Afşin-Elbistan uçucu külünün kalsiyum oksit (CaO), Seyitömer uçucu külünün silika (SiO2 ) ve Soma uçucu külünün ise hem silika (SiO2) hem de alümina (AlO3) içeriğinin yüksek olduğu tespit edilmiştir. Uçucu küllerin bünyesindeki elementlerin sulu ortamda çözünmesi nedeniyle çözelti pH nın değişebileceği düşünülerek uçucu kül numunelerinden alınan 2 g örnekler 100mL saf suda 24 saat boyunca karıştırılmış ve 1 saat aralıklarla çözeltilerin pH değişimleri pH-metre ile ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar çözelti pH larının Afşin-Elbistan ve Soma uçucu külleri için yaklaşık olarak 12.5 değerinde, 73 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Seyitömer uçucu külü için ise yaklaşık olarak 10.5 değerinde sabit kaldığını göstermiştir. Uçucu kül numunelerinin tane irilik dağılımı yaş elek analizi ve Laser ışını tanecik sayımı yöntemi ile tespit edilmiştir. Çalışmada kullanılan Afşin-Elbistan uçucu külü numunelerin ağırlıkça %65 i, Seyitömer uçucu külü numunelerinin ağırlıkça %15 i 0.075 mm ve Soma uçucu külü numunelerinin ağırlıkça %50 si 0.045 mm den incedir. Numunenin kızdırma kayıpları (yanmamış karbon yüzdesi) o o 100 C de etüvde kurutulan, desikatörde soğutulan ve tartılan malzemenin 600 C de ve 2 saat yakılması sonucu oluşan ağırlık kaybı hesabı yapılarak tespit edilmiştir (Çizelge 2). Deneysel çalışmada kullanılan Afşin-Elbistan, Seyitömer, ve Soma uçucu küllü numunelerinin özgül yüzey alanları sırasıyla 0.342, 0.115 ve 0.207 2 m /g olduğu Laser ışını tanecik sayım yöntemiyle tespit edilmiştir. Yüzey elektriksel yüklerinin pozitif değerden negatif değere dönüştüğü izoelektrik nokta (ZPC) Afşin- Elbistan, Seyitömer, ve Soma uçucu külleri için zeta-meter (ZM-77, ZetaMeter,USA) ile pH değeri sırasıyla 7, 3.5, 7 olarak ölçülmüştür. Ayrıca uçucu kül kullanımının veya bertaraf edilmesinin çevresel etiklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için uçucu kül bünyesindeki farklı kimyasal bileşenlerin çözünebilme özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla uçucu kül numunelerinden 1 g örnek alınarak 200 mL saf su içerisinde 2 saat karıştırılarak bekletilmiştir. İki saat sonra çözelti filtre edilmiş ve süzüntüdeki iyonlar ASS ile tespit edilmiştir (Çizelge 2) (Bayat, 1998). Çizelge 2. Uçucu Küllerin Kimyasal Bileşimi ve Bileşenlerin Sudaki Çözünürlükleri (Bayat, 1998) Bileşik SiO2 AlO3 Fe2O3 CaO MgO) K 2O Na2O TiO2 SO3 Zn (mg/L) Cu (mg/L) Cr (mg/L) Ni (mg/L) Mn (mg/L) Kızdırma Kaybı Uçucu Küller Afşin Seyitömer Soma Elbistan (% ağırlıkça ) Çözelti deki Konst. 53.50 15.71 8.81 0.29 2.94 1.19 0.77 0.12 1.11 112.6 98.8 454.5 1975.9 790.4 49.50 26.70 5.42 0.84 2.92 2.42 0.81 0.99 1.59 195.2 59.8 119.5 79.7 358.6 Si Al Fe Ca Mg K Na Ti Co Zn Cu Cr Ni Mn 2.31 3.78 6.47 - 74 Seyitömer Soma (mg/L) 15.14 7.54 3.30 23.66 4.50 0.28 0.57 1.03 13.22 80 40 298 119 219 Adsorpsiyon Deneyleri Uçucu Küller Afşin Elbistan 3,1 02 5 0,5 280 3,6 1,0 4,0 - 30 0,9 3,0 6,0 0.2 - 4,7 2,8 50 0,3 1,0 4,0 - - - - - - Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Atıksulardaki fenolün uçucu küller (Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma) ve toz aktif karbon ile adsorpsiyon işlemi kullanılarak giderilmesinde laboratuar ortamında hızı 0-360 dev/dk. arasında ayarlanabilen Orbital Shaker (IKA®HS 260 basic) kullanılmıştır. Çalkalama deneylerinden önce numunenin fenol konsantrasyonu 1 mg/L den az (100-120 µg/L) olduğundan evsel atıksuların fenol konsantrasyonu standart metoda uygun olarak hazırlanmış stok fenol çözeltisiyle 1 mg/L’ye tamamlanmıştır. Daha sonra çalkalama deneyleri için 500 mL atıksu numuneleri 500 ml’lik 6 adet şiseye konulup her birine 10-40 g ağırlığındaki miktarlarda uçucu kül ilave edildikten sonra ağızları iyice kapatılıp çalkalama düzeneğine yerleştirildikten sonra optimum temas süresini bulmak için 0.15, 0.30, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0 saat sürelerde 210 dev/dk hızla karıştırılmıştır. Deneysel yöntem boyunca optimum fenol adsorpsiyonunun olduğu pH değerini bulmak için 1N H2SO4 ve 1N NaOH çözeltileri ile atıksuyun başlangıç pH ı 3 ila 8 arasında değiştirilmiş ve fosfat tampon çözeltisi ile pH sabitlenmiştir. Bu hızlı çalkalama işleminin sonunda numuneler 0,45µm cam elyaf filtre kullanılarak vakum filtrasyonundan geçirilmiş ve kloroform ekstraksiyon yöntemi ile fenol analizi (APHA-SWWA-WPCF, Standart Methods, 2005) yapılmıştır. Aynı deney serileri uçucu küllerin fenol giderim etkinliklerinin karşılaştırılması amacı ile ticarette yaygın olarak kullanılan toz aktif karbon ile tekrar edilmiştir. Uçucu küllerin desorpsiyon miktarlarını belirlemek için yapılan desorpsiyon deneylerinde maksimum fenol adsorpsiyonunun elde edildiği optimum pH (AfşinElbistan ve Seyitömer uçucu külleri için pH: 5, Soma uçucu külü için pH: 6) ve denge sürelerinde (tüm uçucu küller için 6 saat) 500 mL atıksudaki 1 mg/L fenolün adsorpsiyon işlemi ile gideriminde ve 10 g uçucu kül kullanımı ile yapılan adsorpsiyon deneyleri sonunda numunenin vakum filtreden geçirilme işleminden sonra filtre üzerinde kalan uçucu küller kullanılmıştır. Bu uçucu küller içerisinde 500 mL saf su bulunan şişelere konulup ağzı sıkıca kapatılıp çalkalama düzeneğine yerleştirilmiş ve sonra adsorpsiyonun dengeye ulaştığı sürelerde (6 saat) 210 dev/dk hızla karıştırılmıştır. Bu hızlı çalkalama işleminin sonunda numuneler 0,45µm cam elyaf filtre kullanılarak vakum filtrasyonundan geçirilmiş ve kloroform ekstraksiyon yöntemi ile fenol analizi yapılmıştır. Bu desorpsiyon deneylerinde pH aralığı 3-8 arasında değişmiştir. Deneysel çalışmalar sırasında fenol konsantrasyonları Spectronic 21 Bausch&Lomb spektrofotometresinde, 460 nm dalga boyunda okunarak belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan tüm kimyasal maddeler analitik reaktif olup Merc (Germany) firmasından temin edilmiştir. Aktif karbon ile yapılan deney serilerinde standart tane boyutunda (0.150 mm–0.038 mm) kok kömüründen elde edilen toz aktif karbon (Sigma No 5260) kullanılmıştır. Araştırma Bulguları Temas (Çalkalama) Süresi Sudaki fenolün Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma uçucu külleri ve toz aktif karbonla adsorpsiyon işlemi ile giderimine temas süresinin etkisini araştırmak için yapılan deney sonuçları Şekil 1de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi her bir 75 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 adsorplayıcı için 60 dk. lık sürede yüksek adsorpsiyon verimleri elde edilmesine rağmen 6 saate (360 dk.) kadar fenol giderimleri değişiklik göstermekte 6 saatten sonra dengeye ulaşmakta ve daha sonraki sürelerde değişmemektedir. Bu nedenle her dört adsorplayıcı için denge temas süresi 6 saat (360 dk) olarak belirlenmiştir. Daha önce yapılan çalışmalarda da benzer değerler elde edilmiştir. Örneğin Virarghavan ve De Maria Alfaro (1998), atıksularda fenol giderimi ile ilgili yaptıkları çalışmada kullandıkları uçucu kül için denge süresini 5 saat olarak tespit etmişlerdir. Bu elde edilen sonuçlar çalışmalarda kullanılan uçucu küllerin tipine bağlı olarak değişmektedir. 100 . 90 % Fenol Giderimi 80 70 60 50 40 Afşin-Elbistan Seyitömer Soma Toz Aktif Karbon 30 20 10 0 0 60 120 180 240 300 360 420 Zaman (dk) Şekil 1. Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma Uçucu Külleri ve Toz Aktif Karbon ile Fenol Adsorpsiyon İşlemine Temas Süresinin Etkisi (Afşin-Elbistan, Seyitömer Uçucu Külleri ve Toz Aktif Karbon için Başlangıç pH 5, Soma Uçucu Külü için Başlangıç pH 6; Adsorban dozu: 20 g/L) Başlangıç pH Değeri Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma uçucu külleri ve toz aktif karbonun adsorblayıcı olarak kullanıldığı çalışmalarda başlangıç pH ının fenol adsorbsiyonuna etkisi 6 saat çalkalama sürelerinde, 1 mg/L başlangıç kirletici derişiminde ve pH 3-8 aralığında incelenmiş ve elde edilen sonuçlar Şekil 2. de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi çalışılan pH aralığında maksimum adsorpsiyonun elde edildiği pH değeri Soma uçucu külü için 6, diğer üç adsorplayıcı (Afşin-Elbistan, Seyitömer uçucu külleri ve toz aktif karbon) için ise aynı olup pH 5 olarak saptanmıştır. Uçucu kül bünyesindeki SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 çözeltinin pH ına bağlı olarak hem pozitif hem de negatif yüklü kirleticileri adsorplayabilme özeliğine sahiptir. Yüzey elektriksel yüklerin pozitif değerden negatif değere dönüştüğü izoelektrik nokta Al2O3 için pH 8,5, Fe2O3 için pH 6,7 civarında (Förstner ve Wittman, 1983) iken SiO2 için pH 2,3 tür (Vadenbusch ve 76 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Sell, 1992). Bu çalışmada optimum pH değerini belirlemek için yapılan deney serilerinde kullanılan uçucu küllerin adsorban etkilerinin pH 5-6 aralığında olan çözeltilerde daha iyi olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle uçucu küller izoelektrik nokta açısından incelendiğinde negatif yüklü fenolleri adsorpsiyon ve yük nötralizasyonu ile gidermek için hem Al2O3 hem de Fe2O3 ün etkili olduğu görülmektedir. Ancak toz aktif karbon yüzeyi tüm pH değerlerinde pozitif yüklü olup negatif yüklü fenol ile elektrostatik etkileşimle adsorpsiyon işlemi gerçekleştiğinden giderim ortam pH ından fazla etkilenmemiştir. Daha önce yapılan çalışmalarda benzer sonuçlar elde edilmiştir. Örneğin Viraraghavan ve De Maria Alfaro (1998), atıksularda fenol giderimi ile ilgili yaptıkları çalışmada kullandıkları uçucu kül için başlangıç pH değerini 5 olarak tespit etmişlerdir. 100 90 % Fenol Giderimi 80 70 60 50 40 Afşin-Elbistan Seyitömer Soma Toz Aktif Karbon 30 20 10 0 3 4 5 pH 6 7 8 Şekil 2.Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma Uçucu Külleri ve Toz Aktif Karbon ile Fenol Adsorpsiyon İşlemine Başlangıç pH Değerlerinin Etkisi (Çalkalama süresi:6 sa., Adsorban dozu: 20 g/L) Adsorban Dozu Değeri Optimum başlangıç pH (Afşin-Elbistan, Seyitömer uçucu külleri ve toz aktif karbon için başlangıç pH 5, Soma uçucu külü için başlangıç pH 6) değerleri ve denge zamanı (6 sa.) belirlendikten sonra uçucu kül ve toz aktif karbon dozunun (10-20-30-40 g/L) fenol adsorpsiyonu üzerine etkisini incelemek amacıyla deneyler yapılmıştır. Deneyler sonucu elde edilen değerler Şekil 3 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi uçucu kül ve toz aktif karbon dozu artıkça fenol giderimi önce hızlı bir şekilde artmakta daha sonra özellikle 20g/L den sonra bu artış hızı azalmaktadır. Bu durumda fenol gideriminde dozun etkili olduğu gözlenmektedir. Çünkü doz artıkça yüzey alan genişlemekte fakat birim adsorplayıcı ağırlığı başına adsorplanan fenol miktarı (X/M) azalmaktadır. 77 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Denge izotermleri Fenol için adsorpsiyon dengesi ‘adsorpsiyon izotermi’ olarak bilinen Langmuir ve Freundlisch denklemlerinin linearize edilmiş hali kullanılarak ifade 100 edilmiştir (Benefield ve ark., 1982). 90 % Fenol Giderimi 80 70 60 Afşin-Elbistan Seyitömer Soma Toz Aktif Karbon 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Adsorban dozu (g/L) Şekil 3. Afşin-Elbistan, Seyitömer, Soma Uçucu Külleri ve Toz Aktif Karbon ile Fenol Adsorpsiyon İşlemine Başlangıç Adsorban Dozunun Etkisi (Çalkalama Süresi 360 dk, Afşin-Elbistan, Seyitömer uçucu külleri ve toz aktif karbon için başlangıç pH 5, Soma uçucu külü için başlangıç pH 6) Langmuir denkleminin Lineerize edilmiş hali: 1/X/M =1/a + 1/(abc) (1) -1 Burada X/M birim adsorblayıcı ağırlığı başına adsorplanan madde miktarı(mg g ), C adsorpsiyon işleminden sonra çözeltide kalan maddenin konsantrasyonu -1 (mgL ), a adsorpsiyon kapasitesini gösteren, b ise enerji ile ilgili Langmiur sabitleridir. X koordinatı yerine 1/C ve Y koordinatı yerine 1/(X/M) değerleri konularak çizilen grafikteki doğrunun eğiminden b sabiti ve doğrunun ordinatı kestiği noktadan da a sabiti bulunur. Freundlich denkleminin Lineerize edilmiş hali: Log(X/M) = log (KF) + 1/n log (C) (2) Burada X/M ve C Langmuir denklemindeki aynı büyüklükleri ifade etmektedir. Freundlich sabitleri KF adsorpsiyon kapasitesini n ise adsorpsiyon şiddetini göstermektedir. X koordinatı yerine log (C) ve Y koordinatı yerine log (X/M) değerleri konularak çizilen grafikteki doğrunun eğiminden 1/n değeri ve doğrunun ordinatı kestiği noktadan da log (KF) bulunur. Uçucu küller ile adsorpsiyon işleminden elde edilen verilerin sadece Langmuir izoterm denklemine uygun olduğu bulunmuştur (Çizelge 3). Daha önce yapılan çalışmalarda da belirtildiği gibi bu sonuç fenolün uçucu külün yüzeyinde tek sıra olarak adsorplandığını ifade etmektedir (Gupta ve ark., 1988; Viraraghavan ve Rao, 1991). 78 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 Desorpsiyon Maksimum adsorpsiyonun elde edildiği optimum pH (Afşin-Elbistan, Seyitömer uçucu külleri için pH 5, Soma uçucu külü için pH 6), doz (20 g/L) ve fenol adsorpsiyon işleminin dengeye ulaştığı çalkalama sürelerinde (6 saat) yapılan adsorpsiyon deneyleri sonunda numunenin filtrelenmesi sonucu filtre üzerinde kalan uçucu küllerin tekrar ortam pH nın 3-8 aralığında değiştiği saf suya ilavesinden sonra adsorpsiyon denge süresinde çalkalanması ile yapılan desorpsiyon deneyleri sonucunda uçucu küllerden sadece asidik koşullarda oldukça az miktarda (pH 3 için % 1-3 aralığında) fenolün desorbe olduğu tespit edilmiştir. Çizelge 3. Langmuir izoterm denklemleri Adsorban pH Langmuir İzoterm Denklemleri Afşin-Elbistan Uçucu külü Seyitömer Uçucu külü Soma Uçucu külü R 2 3 4 5 6 7 8 3 1/(X/M)=-2,5073x(1/C)+0,0937 1/(X/M)= 1,2525x(1/C)+0,0884 1/(X/M)= 1,5078x(1/C)+0,0894 1/(X/M)= 1,5110x(1/C)+0,0893 1/(X/M)= 1,7144x(1/C)+0,0821 1/(X/M)= 1,7049x(1/C)+0,0824 1/(X/M)=2,8675x(1/C)+0,0763 0,7885 0,9623 0,9707 4 1/(X/M)=1,8875x(1/C)+0,0722 0,9761 5 1/(X/M)=1,8868x(1/C)+0,0751 1/(X/M)= 2,0338x(1/C)+0,0729 0.9864 6 7 8 0,9298 0,9234 0,8708 0,8761 3 1/(X/M)=3,3231x(1/C)+0,0585 0,9736 0,9772 0,9502 0,2197 4 5 6 1/(X/M)= 11,302x(1/C)+ 0,0168 0,6518 1/(X/M)=3,1018x (1/C)+0,0225 0,9570 0,9602 7 8 1/(X/M)= 11,302x(1/C)+ 0,0168 1/(X/M)=1,0724x(1/C)+0,0232 1/(X/M)=2,0829(1/C)+0,0278 1/(X/M)=2,7929(1/C)+0,0278 1/(X/M)= 7,3431x(1/C)+0,0659 0,6518 0,1742 Tartışma ve Sonuçlar Evsel atıksulardaki fenolün toz aktif karbon ile karşılaştırılarak AfşinElbistan, Seyitömer ve Soma uçucu külleri ile adsorbsiyon yöntemiyle giderilmesini amaçlayan bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 79 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 I.Optimum fenol adsorbsiyonu için başlangıç pH değeri Afşin-Elbistan, Seyitömer uçucu külleri ve toz aktif karbon için 5, Soma uçucu külü için 6, her bir adsorban için temas (çalkalama) süresi 6sa. ve adsorban dozunun 20 g/L olduğu saptanmıştır. Bu optimum koşullarda fenol giderimleri Afşin-Elbistan uçucu külü için %65, Seyitömer uçucu külü için % 80, Soma uçucu külü için % 55 ve toz aktif karbon için % 85 dir. II.Uçucu küllerin partikül boyutu ve yüzey alanının yanı sıra adsorban olarak etkinlikleri, içerdikleri alüminyum (Al), demir (Fe), magnezyum (Mg) kalsiyum (Ca) silisyum (Si) ve karbon (C) ile yakından ilgilidir. Bu çalışmada ortamın pH na bağlı olarak fenol gibi negatif yüklü kirleticilerin gideriminde özellikle alüminyum (Al) ve demir (Fe) iyonlarının etkin olduğu tespit edilmiştir. III.Alüminyum (Al) ve demir (Fe) içeriği yüksek olan Seyitömer uçucu külü aktif karbon gibi adsorbanlarla mukayese edilebilir bir etkinliğe sahiptir. IV.Deneysel verilerin adsorpsiyon izotermlerine göre değerlendirilmesi sonucunda her bir uçucu külün Langmuir izotermine uyduğu belirlenmiştir. Kaynaklar AKGERMAN, A., ve MINOO, Z., 1996. Adsorption of Phenolic Compounds on Fly Ash, Journal of Chemical and Engineering, 41 (2): 185-187 ALEMANY, L.J., JIMENEZ, M.C., LARRUBIA, M.A.,DELGADO, F., BLASCO,J.M., 1996. Removel of Phenol fromAqueous Solution by Adsorpion on to Coal Fly Ashi Science and Technology, 13:527-536 AMERİCAN PUBLİC HEALTH ASSOCİATİON, 2005 Standart Methods for the Examination of Water and Wastewater APHA-SWWA-WPCF : 21 BAYAT, O., 1998. Characterisation of Turkish Fly Ashes Fuel 77 (9/10): 1059-1066 BENEFİELD, L.D., JUDKİND, J.F. ve WEANDi B.L., 1982. Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment, Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, USA. FÖRSTNER, U. ve WİTTMAN, G.T.W. (1983) Metal Transfer between Solid and Aqueous Phases, in Springer-Verlag (ed.), The Aquatic Environment, New York, NY, USA, 207-10. GUPTA, G.S.,Prasad, K., Panday,K.ve Sing, V.N.(1988) Water Air Soild P ollution HUANG, C.P. ve BLANKENSHİP, DW. 1984. h Removel of Mercurry(II) from Dilute Aqueous Solution by Activated Carbon Water Res.,18/1:37-46 MAVROS, P., ZOUBOULIS, A.I. LAZARİDIS, N.K.,1993. Removel of Metal Ion from wastewater the Case of Nichel, Enviromental Technology,14: 83-91 METCALF ve EDDY, 1991. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse. McGraw-Hill Inc., McGraw-Hill Inc., 1334s MUSLU, Y. 1985 Su Temini ve Çevre Sağlığı Cilt III, İTÜ Matbaası, Gümüşsuyu / İstanbul ŞENGÜL, F. ve KÜÇÜKGÜL, E.Y., 1990. Çevre Mühendisliğinde Fiziksel Kimyasal Temal İşlemler ve Süreçler. DEÜ Müh. Fak. Basım Ünitesi, İzmir, 211s TZENG, J.H., ve HUANG, T.L., 2000. Removal of Chlorophenols from Aqueous Solution by Fly Ash, Journal of Hazardous Materials, 76: 237-249. 80 Ç. Ü F e n B i li mler i E n s ti t ü s ü Y ıl :2 0 0 9 C il t:2 0 -2 VANDENBUSCH, M.B ve SELL, N.J.(1992) "Flyash as a Sorbent for the Removal of Biologically Resistant Organic Matter" Resources, Conservation and Recycling, 6:95-116. VİRARGHAVAN, T. ve DE MARİA ALFARO, F. 1998.Adsorbtion of Phenol from Wastewater by Peat, Fly Ash and Bentonite, Journal of hazardous Materials, 57:59-70 81