Reaktif Red 195 boyarmaddesinin çevre-dostu biyosorbentle giderimi: karakterizasyonu, biyosorpsiyon performansı ve mekanizmalarının incelenmesi

Abstract

Gerçekleştirilen bu tezin temel hedefi, tekstil üretiminde ticari olarak kullanılan Reaktif Red 195 (RR195) boyar maddesinin su ekosistemine deşarj edilmeden, atık su içerisindeki değerinin uygun düzeyde tutulması, doğal yaşamın sürdürülebilirliğini korumak için biyosorpsiyon yöntemiyle giderilmesidir. Bu çalışma kapsamında ilk olarak farklı biyosorbentler (alıç, hindistan cevizi, greyfurt ve şeftali) ve yapay silika kaynaklı adsorbent SBA-15, RR195 boyar maddesinin sulu çözeltilerden giderimi için test edilmiştir (biyosorbent-adsorban olarak kullanılabilirlikleri). Elde edilen sonuçlara göre Crataegus (Crataegus species (hawthorn; alıç, meyve ve çekirdek karışımı)) biyosorbentinin sulu çözeltilerden RR195 boyarmaddesini etkili bir şekilde giderdiği gözlenmiştir. En iyi verim elde edilen biyosorbent örneği belirledikten sonra belirtilen biyosorbente ait optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla biyosorpsiyona etki eden en önemli parametreler olan pH, biyokütle miktarı, tanecik boyutu, temas süresi ve başlangıç boyarmadde konsatrasyonunun etkileri araştırılmıştır. Temas süresi ve başlangıç boyarmadde konsantrasyonu etkileri sıcaklığa bağlı olarak test edilmiştir (25, 35 ve 45°C’lerde). Optimizasyon işleminin ardından biyosorbent ve boyar madde arasındaki biyosorpsiyon etkileşiminin (mekanizmasının) daha iyi anlaşılması için elde edilen verilerin bazı izoterm (Langmuir, Freundlich, Temkin ve Dubinin-Radushkevich (D-R) ve kinetik modellere (yalancı birinci derece, yalancı ikinci derece ve partikül içi difüzyon) uygunlukları araştırılarak biyosorpsiyona ait termodinamik (Serbest enerji (ΔG°), Entalpi (ΔH°) ve Entropi (ΔS°)) hesaplamalar yapılmıştır. Elde edilen deneysel verilerin oda sıcaklığında Langmuir izoterm modeline uygun olduğu görülmüştür. Adsorpsiyonun, kinetik ve termodinamik hesaplamaları incelendiğinde ise biyosopsiyonun yalancı ikinci dereceden kinetik modeli uygun olmasının yanında reaksiyonun istemli olduğu sonucuna varılmıştır. Biyosorbentin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için kullanılan biyosorbentin biyosorpsiyon öncesi XRD (faz yapılarının belirlenmesi), FT-IR (fonksiyonel grupların belirlenmesi), SEM/EDX (yüzey morfolojisi), zeta potansiyeli (yüzey yükü) ve sonrası SEM/EDX, MAPPING (haritalanma) ve FT-IR analizleri yapılmıştır. Sonuç olarak kullanılan Crataegus biyosorbentinin herhangi bir kimyasal işleme ihtiyaç duymadan sadece doğal koşullarda kurutma ve öğütme yöntemleri ile kolaylıkla hazırlanabilmesi, 20 dakika gibi kısa sürede %90'ının üzerinde giderim sağlaması (boyar madde ve simüle edilmiş sentetik atık su örneklerinde) açısından RR195 boyar maddesinin gideriminde ekonomik ve çevre dostu bir biyosorbent olarak kullanılabilir olacağı düşünülmektedir.

The main objective of this thesis is to remove Reactive Red 195 (RR195) dye, commercially used in textile production, from wastewater using biosorption methods, without discharging it into the aquatic ecosystem, thus maintaining its value at an appropriate level and protecting the sustainability of natural life. In this study, different biosorbents (hawthorn, coconut, grapefruit and peach) and the artificial silica-based adsorbent SBA-15 were first tested for the removal of RR195 dye from aqueous solutions (their usability as biosorbent-adsorbent). According to the results obtained, the Crataegus biosorbent (Crataegus species (hawthorn; a mixture of hawthorn, fruit, and seeds)) effectively removed RR195 dye from aqueous solutions. After determining the biosorbent sample that yielded the best results, optimization studies were carried out for this biosorbent. For this purpose, the effects of pH, biomass amount, particle size, contact time, and initial dyestuff concentration, which are the most important parameters affecting biosorption, were investigated. The effects of contact time and initial dye concentration were tested as a function of temperature (at 25, 35, and 45°C). Following the optimization process, the suitability of the obtained data to some isotherm (Langmuir, Freundlich, Temkin, and Dubinin-Radushkevich (D-R)) and kinetic models (pseudo-first-order, pseudo-second order, and intraparticle diffusion) was investigated to better understand the biosorption interaction (mechanism) between the biosorbent and the dyestuff. Thermodynamic calculations (Free energy (ΔG°), Enthalpy (ΔH°), and Entropy (ΔS°)) of biosorption were then performed. The experimental data were found to conform to the Langmuir isotherm model at room temperature. When the kinetic and thermodynamic calculations of adsorption were examined, it was concluded that the pseudo-second-order kinetic model of biosorption was suitable and that the reaction was spontaneous. To better understand the physical and chemical properties of the biosorbent, pre-biosorption XRD (phase structure determination), FT-IR (functional group determination), zeta potential (surface charge), SEM/EDX (surface morphology), and after-biosorption SEM/EDX, MAPPING, and FT-IR analyses were performed. As a result, it is thought that the Crataegus biosorbent used can be used as an economical and environmentally friendly biosorbent in the removal of RR195 dye, considering that it can be easily prepared by drying and grinding methods under natural conditions without the need for any chemical processing, and that it provides over 90% removal in a short time such as 20 minutes (in dye and simulated synthetic wastewater samples).