Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı

Evaluation of the effect of sodium dodecyl sulfate and sand on graphene for the removal of arsenic in contaminated waters

Kontamine sulardan arsenik uzaklaştırılmasında sodyum dodesil sülfat ve kumun grafen üzerindeki etkilerinin incelenmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 558862 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Water is the most important resource to keep the life on the planet. Sadly, due to both anthropogenic and natural actions, it is being highly contaminated with different kinds of both organic and inorganic compounds. Among these compounds we can find heavy metals. The presence of heavy metals ions in the water is a matter of global concern since these metal ions can affect negatively the life of animals and humans. The natural sources of heavy metal contamination can be the rock cycle that trough erosion, weathering and soil formation can transport and redistribute heavy metals; the anthropogenic sources are related to many human activities such as agricultural activities, mining, coal combustion, waste waters and the disposal of product waste. Heavy metals can bioaccumulate and biomagnify in animals and get to humans in the food chain, these can be persistent, toxic and carcinogenic. Among these heavy metals we find arsenic. Some anthropogenic sources of arsenic are animal feed additive, algaecides, herbicides, insecticides, fungicides, pesticides, rodenticides, sheep dip, tanning and textile, pigments, veterinary medicine, ceramics, special glasses, metallurgy, electronic components, non-ferrous smelters, electrical generation (coal and geothermal), light filters, and fireworks. Chronic exposure to inorganic arsenic via inhalation or drinking water ingestion has proven to be related with skin, lung and urinary bladder cancer, to produce neurotoxicity and to cause various forms of arsenism. Contamination with arsenic is a worldwide problem since groundwater contaminated with this heavy metal has been found in aquifers in Bangladesh, China, India, Nepal, Mexico, Taiwan, among others. Arsenic removal from water is done by a variety of conventional processes that includes air oxidation, chemical oxidation, alum coagulation, iron coagulation, lime softening, sorption on activated alumina, reverse osmosis, nanofiltration and electrodialysis, adsorption processes are the most used since they have high removal efficiency, low cost, and they also are flexible and easy to operate. These adsorption processes have been made with different adsorbents, among these we can find sand and compounds derivate from graphite such as graphene, graphene oxide and reduce graphene oxide. The sand has been used in different kind of sand filters and has been modified in the granules´ surface with graphene to increase its adsorption of heavy metals and organic dyes. The graphene has also been modified on its surface for the adsorption of heavy metals and composites of graphene oxide – iron oxide and magnetite – non-oxidative graphene have been used in the arsenic removal. Graphene is an allotrope of carbon, consist of sp2 carbon atoms arranged in a hexagonal 2D lattice. Each carbon atom has three α bonds that makes a stable structure. The graphene structure also has π bonds which permit free movement of electrons in the benzene ring structure. Graphene has a very high specific surface and no porosity. With a higher surface, the area of active sites for adsorption is more exposed. So, to increase the adsorption capacity, the total surface area needs to be increased having a high porosity and small grain size distribution. Then, one way to improve the adsorption capacity of graphene is to increase its porosity. Graphene may show some aggregations due to π – π stacking and van der Waals interactions, therefore its dispersibility in water may be reduced. It can be avoided by reducing these forces or by introducing steric, electrostatic or electrosteric forces. SDS is an ionic surfactant that provides electrostatic repulsion between individual GN nanosheets. In this study, the evaluation of the effect of using sand and Sodium Dodecyl Sulfate with graphene for the removal of arsenic from water was investigated. Graphene oxide was obtained by a modified Hummers Method and then it was reduced to graphene using ascorbic acid, subsequently it was modified with an anionic surfactant, Sodium Dodecyl Sulfate. GN is exfoliated by anchoring SDS over its surface with the hydrophilic heads projected towards the aqueous phase and the hydrophobic tails on the GN surface, thus minimizing self-aggregation and increasing its total available adsorption sites. Batch experiments were performed to evaluate the material for the adsorption of arsenic. The effect of the Sodium Dodecyl Sulfate, the use of sand as a mix- helper, pH, temperature, adsorbent dosage and adsorbent concentration were evaluated. Kinetics and isotherm studies were also made. The conclusions of this study are: The characterization of the material showed inclusion of SDS on GN and also oxygen containing groups, hence the need of a complete reduction process. The optimum adsorbent dose was found to be 2 g/L of GN-SDS since it was the one where the maximum removal efficiency (15.83%). It was obtained for an adsorbate concentration of 100 mg/L. The maximum adsorption capacity for GN and GN-SDS was 14.05 and 39.05 mg/g, respectively, and both were reached at the highest concentration tried in this study (250 mg/L As(III)). The pH effect on the adsorption process showed the pH 6 as optimum, since in this one the highest adsorption capacity is reached. It also showed surface complexation in the adsorption process. The maximum removal efficiency using sand as the adsorbent for As(III) was 89% for adsorbate concentration of 50 mg/L. At high concentrations where the removal efficiency of sand dropped to 67%, a synergic effect in seen when mixed with GN-SDS increasing the removal efficiency in 9.64%. This shows that when the sand is saturated it can act as a mix-helper on the adsorption on GN-SDS. The maximum adsorption capacity (46 mg/g) was reached at 40°C where the balance between lower surface precipitation and linkage stability between adsorbate – adsorbent are met. The maximum adsorption capacity at environmental temperature for GN and GN-SDS was 14.05 and 39.05 mg/g, respectively, and both were reached at a 250 mg/L and pH 6. The kinetics of the reactions shows a slow reaction that reaches equilibrium after 20 hours. The data for the adsorption on GN-SDS fits better a pseudo first order reaction and particle diffusion also plays a major role in the adsorption process. The isotherm modeling shows the data better fits Freundlich model, so the physical adsorption take place in an heterogeneous surface. In the regeneration studies of the material the removal efficiency decreased 15% in three cycles. Further studies in recovery methods that do not affect the structure of the surface and increases the amount of material recovered are advised. As well as real samples studies.

Summary:

Yaşamı canlı tutmak için en önemli kaynak sudur. Ne yazık ki su, gerek insan kökenli gerekse de doğal etkilerden dolayı, hem organik hem de inorganik bileşiklerin farklı türleri ile oldukça kirletilmektedir. Bu bileşikler arasında ağır metalleri de fazlasıyla bulabiliriz. Sudaki ağır metal iyonlarının varlığı, hayvan ve insan yaşamını olumsuz yönde etkileyebileceği için küresel bir sorundur. Ağır metal kirliliğinin doğal kaynakları; erozyon, hava koşulları ve toprak oluşumunun ağır metalleri taşıyabildiği ve yeniden dağıtabildiği kaya döngüsü olabilir; İnsan kökenli kaynaklar ise; tarımsal faaliyetler, madencilik, kömür yakma, atık sular ve ürün atığının atılması gibi faaliyetler ile ilgilidir. Ağır metaller hayvanlarda biyolojik olarak birikebilir, büyüyebilir ve besin zinciri üzerinden insanlara ulaşabilir. Dolayısıyla bunların kalıcı, toksik ve kanserojen etkileri olabilir. Bu ağır metaller arasında arsenik de mevcuttur. Bazı insan kökenli arsenik kaynakları; hayvansal yem katkı maddesi, yosun öldürücüler, herbisitler, böcek öldürücüler, mantar öldürücüler, böcek ilaçları, kemirgen öldürücüler, koyun parazit ilaçları, tabaklama ve tekstil ürünleri, pigmentler, veteriner hekimliği, seramikler, özel camlar, metalurji, elektronik bileşenler, demir dışı eriticiler, elektrik nesil (kömür ve jeotermal), ışık filtreleri ve havai fişeklerdir. Nefes alma veya içme suyu alımı yoluyla inorganik arseniklere kronik maruz kalmanın cilt, akciğer ve idrar kesesi kanseri ile ilişkili olduğu, nörotoksisite ürettiği ve arsenikle bağlantılı çeşitli hastalıklara neden olduğu kanıtlanmıştır. Arsenik ile kirlenme küresel bir sorundur. Dünyanın birçok yerinde olduğu gibi bu ağır metalle kirlenmiş yeraltı suları Bangladeş, Çin, Hindistan, Nepal, Meksika ve Tayvan'daki akiferlerde de bulunmuştur. Sudan arsenik uzaklaştırılmasında en çok kullanılan geleneksel yöntemler; hava oksidasyonu, kimyasal oksidasyon, aluminyum ve demir koagülasyonları, kireç yumuşatma, aktif alümina üzerinde sorpsiyon, ters osmoz, nanofiltrasyon ve elektrodiyaliz, ve adsorpsiyon işlemleridir. Bu yöntemler yüksek temizleme verimliliğine sahip olup, düşük maliyetlidir, aynı zamanda kullanımları kolay ve esnektir. Bugüne kadar adsorpsiyon işlemleri farklı adsorbanlarla yapılmıştır. Kumun yanında grafen, grafen oksit ve indirgenmiş grafen oksit gibi grafitlerden türetilebilen bileşikler bunlardan bazılarıdır. Kum, farklı türlerde kum filtrelerinde kullanılmış, ağır metallerin ve organik boyaların adsorpsiyonunu artırmak için ise kum granüllerinin yüzeyi grafen ile modifiye edilmiştir. Grafen, ağır metallerin adsorpsiyonu için yüzeysel bazda ayrıca modifiye edilmiş, grafen oksit - demir oksit ve manyetit - oksidatif olmayan grafen gibi kompozitler şeklinde arsenik uzaklaştırılmasında kullanılmıştır. Grafen, bir altıgen 2D kafes içinde düzenlenmiş sp2 karbon atomlarından oluşan bir allotroptur. Her karbon atomunun stabil bir yapı oluşturan üç α bağı vardır. Grafen yapısı ayrıca benzen halkası yapısında elektronların serbest dolaşımını sağlayan π bağlarına da sahiptir. Grafen çok özel bir yüzeye sahiptir ve gözenekliliği yoktur. Daha yüksek bir yüzey alanı ile, adsorpsiyon için aktif alanların sayısı daha fazla ortaya çıkar. Bu nedenle, adsorpsiyon kapasitesini arttırmak için, yüksek bir gözeneklilik ve küçük tane büyüklüğü dağılımına sahip toplam yüzey alanının arttırılması gerekir. Sonrasında, grafenin adsorpsiyon kapasitesini arttırmanın bir yolu da gözenekliliğini arttırmaktır. Grafen, π - π istifleme ve van der Waals etkileşimlerinden dolayı bazı topaklanmalar gösterebilir, bu nedenle sudaki çözünürlüğü azalabilir. Bu durum, ilgili kuvvetlerin azaltılması veya sterik, elektrostatik veya elektrosterik kuvvetlerin eklenmesi ile önlenebilir. SDS, bireysel GN nano-katmanları arasında elektrostatik itme sağlayan iyonik bir yüzey aktif maddedir. Bu çalışmada, arsenik ağır metalinin sudan uzaklaştırılmasında grafen ile kum ve Sodyum Dodesil Sülfat kullanımının etkilerinin değerlendirilmesi incelenmiştir. Grafen oksit, modifiye edilmiş Hummers Metodu ile elde edildikten sonra askorbik asit kullanılarak grafene indirgenmiş, daha sonra da bir anyonik yüzey aktif madde olan Sodyum Dodesil Sülfat ile modifiye edilmiştir. GN'nin tabakalaştırılması, yüzeyinin SDS ile kaplanması ile gerçekleştirilmiştir. SDS'in sulu fazdaki hidrofilik başları ile GN üzerindeki hidrofobik kuyrukları bu modifikasyona olanak vermiş, böylece oluşan yapının kendisini aglomere etmesi minimize edilerek, toplam adsorpsiyon aktif alanlarının açılması sağlanmıştır. Elde edilen malzemenin arsenik adsorpsiyonunda kullanılabilirliği, gerçekleştirilen kesikli deneylerle tespit edilmiştir. Sodyum Dodesil Sülfatın etkisi, karıştırıcı olarak kum kullanımı, pH, sıcaklık, adsorban dozu ve adsorban konsantrasyonu parametreler olarak değerlendirilmiştir. Kinetik ve adsorpsiyon izoterm çalışmaları da ayrıca gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları: Malzemenin karakterizasyonu, GN üzerine SDS'in dahil edildiğini, ancak bazı oksijen gruplarının da yüzeyde bulunduğunu, dolayısıyla daha etkin bir arsenik arıtımı için malzeme yüzeyinde tam bir indirgeme işlemine ihtiyaç duyulduğunu göstermiştir. Maximum arsenik giderilme veriminin (% 15.83) elde edildiği çalışmada 100 mg/L'lik bir çözelti konsantrasyonu için optimum adsorban dozu, 2 g/L GN-SDS olarak bulunmuştur. GN ve GN-SDS için maksimum adsorpsiyon kapasiteleri sırasıyla 14.05 ve 39.05 mg/g olarak tespit edilmiştir. Her iki çalışmada da bu değerlere uygulanan en büyük konsantrasyon (250 mg/L As (III)) dir. En yüksek adsorpsiyon kapasitesine optimum pH 6'da erişilmiştir. Bu pH'de, adsorpsiyon sırasında yüzey karmaşıklığı da tespit edilmiştir. Adsorban olarak kumun kullanıldığı çalışmada 50 mg/L çözelti konsantrasyonu için maksimum As (III) giderilme verimi %89 olarak bulunmuştur. Kumun, arıtma verimliliğinin % 67'ye düştüğü daha yüksek konsantrasyonlarda ise, kumun, GN-SDS ile karıştırıldığında arıtma verimliliğini % 9.64 oranında arttırdığı görülmüştür. Bu, kumun doygun hale geldiği zaman, GN-SDS'in adsorpsiyon yeteneğini arttırıcı yardımcı bir karıştırıcı olarak hareket edebileceğini göstermiştir. Düşük yüzeysel çöküntü ve adsorbat-adsorban arasındaki bağlantı dengesinin sağlandığı yerde maksimum adsorpsiyon kapasitesine (46 mg/g), 40°C'de ulaşılmıştır. GN ve GN-SDS için ortam sıcaklığında maksimum adsorpsiyon kapasiteleri 250 mg/L çözelti konsantrasyonu ve pH 6 için sırasıyla 14.05 ve 39.05 mg/g olarak tespit edilmiştir. Reaksiyonların kinetiği, 20 saat sonra dengeye ulaşan yavaş bir reaksiyonu göstermektedir. GN-SDS'de adsorpsiyon verileri, pseudo birinci dereceden reaksiyona uymaktadır ve partikül difüzyonunun, adsorpsiyon işleminde önemli bir rol oynadığı görülmüştür. İzoterm modellemesi, verilerin Freundlich modeline daha iyi uyduğunu, dolayısıyla fiziksel adsorpsiyonun heterojen bir yüzeyde gerçekleştiğini göstermektedir. Malzemenin yeniden kullanılma çalışmalarında, giderim veriminin üç döngüde %15 azaldığı görülmüştür. Geri kazanma yöntemlerinde, yüzeyin yapısını etkilemeyen ve geri kazanılan malzeme miktarını artıran aynı zamanda gerçek örnekler içeren ileri çalışmalar önerilmektedir.