Sustainable treatment of boron from geothermal water by recycled mussel shell waste
Jeotermal sudan sürdürülebilir bor giderimi için geri dönüştürülmüş midye kabuğu atığının kullanılması
- Tez No: 774214
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İDİL YILMAZ İPEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Bu tez çalışmasında, termal ve kimyasal olarak kirlenen jeotermal su kaynaklarından yüksek konsantrasyonda ve canlı yaşamını olumsuz etkileyen borun, geri dönüştürülmüş midye kabukları kullanılarak giderimi incelenmiştir. Jeotermal akışkanlar, değerli kaynaklar olarak görülmektedir. Bununla birlikte, tarımsal arazilerde sulama suyu olarak kullanılan jeotermal su içerisindeki fazla bor, toksik etkileri nedeniyle ürün hasılat verimini düşürmekte ve bu sebeple çiftçiler arasında endişe yaratmaktadır. Yer altı sularındaki bor konsantrasyonu 100 mg/L'ye kadar ulaşmaktadır. Türkiye'de en yaygın kirleticilerden biri olan bor, fazla miktarda alındığında bitkinin büyümesini ve insan sağlığını olumsuz etkileyerek çevresel sorunlara sebep olmaktadır. Bu sebeple, Dünya Sağlık Örgütü içme suyundaki bor içeriğinin 2.4 mg/L'nin altında olması gerektiğini belirtmektedir. Bor giderimi için birçok yöntem bulunmakla birlikte adsorpsiyon yöntemi düşük maliyet ve yüksek verim bakımından en iyi yöntemlerden biri arasına girmektedir. Çalışmada çevre dostu ve sürdürülebilir bir sorbent geliştirmek üzere 96% kalsiyum karbonat içeriği sayesinde başarılı bir biyosorbent olacağı öngörülen midye kabuğu atığı kullanılmıştır. Tez çalışması; midye kabuğu atıklarının geri dönüşümü, modifikasyonu ve karakterizasyonu ile denge testleri, kinetik testler ve kolon testleri olmak üzere dört bölümden oluşmaktadır. Modifikasyon işleminin etkisini gözlemlemek için kalsinasyon sıcaklığı ve süresi incelenmiştir. Modifiye edilmemiş ve optimum koşullarda modifiye edilmiş biyosorbentlerin karakterizasyonu FTIR, SEM, TGA, XRD ve BET ve analizleri ile incelelenmiştir. Çalışma kapsamında, denge çalışmalarında biyosorbent miktarı, pH, sıcaklık, derişim, seçimlilik ve rejenerasyon; kinetik çalışmalarda sıcaklık ve karıştırma hızı; kolon çalışmalarında ise kolon yatak yüksekliği ve akış hızı parametreleri incelenmiştir. Optimum modifikasyon koşulları 800°C'de 4 saat kalsine edilmiş midye kabukları ile elde edilmiştir. FTIR sonuçları incelendiğinde, modifiye edilmiş ve modifiye edilmemiş biyosorbentlerin C-H, C=C, Ca-O bağları ve OH- grubu içerdiği tespit edilmiştir. TGA analizi ile modifiye edilmemiş, adsorpsiyon öncesi ve sonrası modifiye edilmiş biyosorbentlerin kütle kaybı sırasıyla 36.54%, 18.00% and 34.06% olarak hesaplanmıştır. Biyosorbentlerin yüzey morfolojisi SEM analizi ile incelendiğinde pürüzlü, ince ve uzun plaka benzeri kristaller olarak gözlemlenen midye kabuklarının modifikasyon işleminin ardından oval veya küresel gibi daha dairesel benzeri yapılara dönüştüğü gözlemlenmiştir. Ayrıca EDX sonuçları, modifiye edilmemiş ve modifiye edilmiş biyosorbentlerin Ca, C ve O'dan oluştuğunu göstermiştir. XRD analizi ise modifikasyon sonrasında 32.3, 37.4 and 54.0'de oluşan yüksek yoğunluktaki kırınım pikleri ile CaO içeriğine işaret etmektedir. Son olarak BET analizi ile biyosorbentin modifikasyon sonrasında artan yüzey alanı, gözenek boyutu ve hacmi tespit edilmiştir. Denge testleri sonucunda, optimum sorbent miktarının 2 g biyosorbent/25 mL jeotermal su olduğu görülmüştür. pH etkisi incelendiğinde borun adsorpsiyonu üzerinde pH'nın önemli bir etkisi olmadığı belirlenmiştir, bu sebeple deneyler jeotermal suyun kendi pH'ında (7.68) gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, sıcaklık kontrollü su banyosu çalkalayıcıda incelenen sıcaklık parametresi için en yüksek verim 25°C'de elde edilmiştir. Termodinamik analiz gerçekleştirildiğinde negatif ∆H° değerleri adsorpsiyon prosesinin ekzotermik olduğunu ve düşük sıcaklıkların adsorpsiyonun lehine olduğunu göstermiştir. Negatif ∆S° değerleri, çözünen-çözelti ara yüzeyinde adsorbe edilen konsantrasyonda bir azalmaya ve katı fazda adsorbe edilen konsantrasyonda bir artışa işaret etmiştir. Öte yandan, ∆G° değerlerinin pozitif elde edilmesi sonucunda reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşmediği ve gerçekleşmesi için bir enerji girdisine ihtiyaç duyduğu anlaşılmıştır. Bor dışındaki diğer iyonların etkisinin incelendiği çalışmalar sonucunda, Na+ ve Mg2+ iyonlarının varlığında adsorpsiyon veriminin olumsuz etkilendiği görülmüştür. Rejenerasyon çalışmalarında ise en yüksek verim 1 mol/L nitrik asit çözeltisi ile 72.33% olarak belirlenmiştir. Jeotermal su içerisinde bulunan iyonların etkisi incelenmek üzere derişim etkisi, jeotermal su ve sulu çözelti ile iki ayrı şekilde çalışılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Elde edilen veriler ile Langmuir, Freundlich, DKR, Temkin ve Redlich-Peterson izoterm modelleri uygulanmıştır. Her iki çalışmada da borun midye kabuğuna adsorpsiyonunun Freundlich izoterm modeline daha iyi uyduğu görülmüştür. Kinetik çalışmada elde edilen veriler, pseudo-birinci derece, pseudo-ikinci derece, partikül içi difüzyon ve Elovich kinetik modelleri ile değerlendirilmiştir. Pseudo-ikinci dereceden kinetik modelinin borun biyosorbent ile gideriminde en uygun model olduğu görülmüştür. Kolon çalışmalarında ise Thomas ve Yoon-Nelson modelleri uygulanmıştır. Model tahminleri ve deneysel veriler benzerlik göstermiştir. Bu tez çalışmasında, optimum koşullar altında elde edilen en yüksek bor giderim verimi 30.26% olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the removal of boron, which adversely affects life in high concentration, from thermally and chemically polluted geothermal water sources using recycled mussel shells was investigated. Geothermal fluids are seen as valued sources. However, excess boron in geothermal water, which is used as irrigation water in agricultural lands, reduces crop yields due to its toxic effects, and therefore causes concern among farmers. The boron concentration in groundwater reaches up to 100 mg/L. Boron, which is one of the most common pollutants in Turkey, causes environmental problems by negatively affecting plant growth and human health when taken in excess. For this reason, World Health Organization is made a recommendation that boron content in drinking water should be below 2.4 mg/L. Although there are many methods for boron removal, the adsorption method is among the best methods in terms of low cost and high efficiency. In the study, mussel shell waste, which is predicted to be a successful biosorbent thanks to its 96% calcium carbonate content, was used to develop an environmentally friendly and sustainable sorbent. The thesis consists of four parts which are recycling, modification and characterization of mussel shell wastes, equilibrium tests, kinetic tests and finally the column-mode tests. The calcination temperature and time were analyzed to observe modification effect on sorption capacity. The characterization of unmodified and modified biosorbents under optimum conditions was investigated by FTIR, TGA, SEM XRD and BET analyzes. Within the scope of the research, biosorbent dosage, pH, temperature, concentration, selectivity and regeneration in equilibrium studies, temperature and mixing rate in kinetic studies, and column bed height and flowrate parameters in column studies were investigated. Optimum modification conditions were obtained with calcined mussel shells at 800 °C for 4 hours. When the FTIR results were examined, it was determined that the modified and unmodified biosorbents contained C-H, C=C, Ca-O bonds and OH- group. By TGA analysis, the mass loss of unmodified biosorbent, modified biosorbents before and after adsorption was calculated as 36.535%, 17.999% and 34.059%, respectively. When the surface morphology of biosorbents were analyzed with SEM, it was observed that the mussel shells, which were observed as rough, thin and long plate-like crystals, turned into more circular-like structures such as oval or spherical after the modification process. In addition, EDAX results showed that unmodified and modified biosorbents are composed of Ca, C and O. XRD analysis, on the other hand, indicates CaO content with high-intensity diffraction peaks at 32.3, 37.4 and 54.0 after modification. Finally, the increased surface area, pore size and volume of the biosorbent after modification were determined by BET analysis. As a result of the equilibrium tests, it was observed that the optimum amount of sorbent was 2 g biosorbent/25 mL geothermal water. When the pH effect was examined, it was found that pH ineffective on boron removal, so the tests were performed at the original pH of the geothermal water (7.68). In addition, the highest efficiency was obtained at 25 °C for the temperature parameter investigated in the temperature-controlled water bath shaker. When thermodynamic analysis was performed, negative ∆H° values showed that the adsorption process was exothermic and low temperatures favored adsorption. Negative ∆S° values indicated a decrease in the concentration adsorbed at the solute-solution interface and an increase in the concentration adsorbed in the solid phase. On the other hand, it was understood that the reaction was non-spontaneous and need an input of energy in order to take place since the ∆G° values were positive. As a result of the studies examining the effect of other ions other than boron, it was observed that the adsorption efficiency was negatively affected in the presence of Na+ and Mg2+ ions. In regeneration studies, the highest yield was determined as 72.33% with 1 mol/L nitric acid solution. In order to examine the effect of ions in geothermal water, the effects of concentration were studied separately with geothermal water and aqueous solution, and the results were compared. Langmuir, Freundlich, DKR, Temkin and Redlich-Peterson isotherm models were applied with the obtained data. In both studies, it was observed that the adsorption of boron to the mussel shell better fit the Freundlich isotherm model. The data obtained in the kinetic studies were evaluated by pseudo-first-order, pseudo-second-order, intraparticle diffusion and Elovich kinetic models, and the pseudo-second-order kinetic model was fitted better than the other models. In the column studies, Thomas and Yoon-Nelson models were applied and the model predictions showed similarity with the experimental data. In this thesis, the highest boron removal efficiency obtained under the determined optimum conditions was determined as 30.26%.
Benzer Tezler
- Eutectic freeze crystallization of boron compounds
Bor birleşiklerin ötektik dondurma kristalizasyonu
BOLORMAA BAYARKHUU
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER
- Endüstriyel atık boraks çözeltisinin ötektik donma kristalizasyonu yöntemi ile geri kazanılmasının incelenmesi
Investigation of recovery of industrial waste borax solution by eutectic freeze crystallization method
AYŞE GÜL OKUMUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER
- Tavuk atıklarının farklı aşı çamuru içeren yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerde arıtılabilirliğinin karşılaştırılmalı olarak değerlendirilmesi
Comparative evaluation of anaerobic treatment of chicken manure at up-flow anaerobic sludge bed reactors inoculated with different sludge types
ÇİSİL GÜLÜMSER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇİĞDEM YANGIN GÖMEÇ
- Hastane atıksularının elektrokimyasal arıtım yöntemleri ile giderilmesi
Removal of hospital wastewater using electrochemical treatment methods
ÖZGÜR NAZİKCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SAVAŞ KOPARAL
- Synergistic effects of B4C and ZnO nanomaterials as electrodes for supercapacitors
B4C ve ZnO nanomalzemelerinin sinerjik etkileri ve süperkapasitör elektrotları olarak kullanımı
MERVE AKTÜRK
Doktora
İngilizce
2022
EnerjiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE ERDEM