Kadmiyum-kurşun-çinko-bakır katyonlarının doğal ve yapay zeolitlerle iyon değişiminin incelenmesi

Abstract

KADMİYUM - KURŞUN - ÇİNKO - BAKIR KATYONLARININ DOĞAL VE YAPAY ZEOLİTLERLE İYON DEĞİŞİMİNİN İNCELENMESİ ( Doktora Tezi ) Melek Yağız GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Şubat 1998 ÖZET Bu çalışmada, sulardan ağır metal iyonları uzaklaştırmada ülkemizin doğal zeolit zenginlikleri içerisinde önemli bir yeri olan Batı Anadolu klinoptilolit kaynaklarımızı kullanarak iyon değiştirme prosesi için gerekli parametrelerin belirlenmesine yardımcı olacak laboratuvar çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla incelenen ağır metaller; kurşun, kadmiyum, çinko ve bakırdır. Çalışmanın ilk basamağında hammaddenin kullanılacak boyutlarda hazırlanması, karakterizasyonu (kimyasal analiz ve X - ışını kırınım deseni) ve klinoptilolitin tek iyon formuna dönüştürülmesi gerçekleştirilmiştir. Sodyum formuna dönüştürülmüş klinoptilolitlerin teorik iyon değişim kapasitesi meqv katyon / gram zeolit olarak CLI - 40 için 2,343 ve CLI-12 için 2,465 bulunmuştur.Çalışmanın ikinci basamağında seçilen metaller için iyon değişim denge deneyleri yapılmıştır. Sıcaklık 25 °C de sabit tutulurken çözelti derişimi 0,1 N ve 0,01 N olarak değiştirilmiştir. Buradan elde edilen sonuçlara dayalı olarak metal katyonların ( kurşun, kadmiyum, çinko, bakır ) klinoptilolitteki sodyum ile değişimi için iyon değişim izotermleri çizilmiştir. Bu izotermler klinoptilolitin bu iyonlar için seçicilik sırasının; Pb2+ > Cd2+ > Cu2* > Zn 2 + olduğunu göstermiştir. Bu izotermler zeolit X için elde edilen izotermlerle karşılaştırılmıştır. Çalışılan iyonlar için zeolit X, klinoptilolitten daha seçici davranmaktadır. Çalışmanın üçüncü basamağında kadmiyum ve kurşunun iyon değişim hızı 25 °C ve 0,01 N' de 0,84 - 1,60 mm ve 2,0 - 2,5 mm olmak üzere iki farklı tanecik boyutunda karıştırmalı bir reaktörde incelenmiştir. Kullanılan sistemin homojen faz modeline uyduğu varsayılarak matematiksel bir model geliştirilmiş ve model Langmuir yaklaşımı kullanılarak analitik olarak çözülmüştür. Elde edilen deneysel ve teorik değerler karşılaştırıldığında homojen faz varsayımının bu çalışma için kullanılabilir olduğu gözlenmiştir.iii Sonuçlar iyon değişiminde, kontrol eden basamağın difüzyon hızı olduğunu göstermiştir. Teorik ve deneysel veriler karşılaştırılarak kadmiyum ve kurşun iyon değişimi için difüzyon sabitleri, 0^/^ = 0,00177 dak1 DPb/R2 = 0,00104 dak`1 olarak bulunmuştur. Bilim Kodu : 603.02 ve 603.01 Anahtar Kelimeler : Doğal zeolit, Klinoptilolit, Ağır metal, İyon değişimi, Difüzyon Sayfa Adedi : 213 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Müjgan ÇULFAZ

IV INVESTIGATION OF THE CADMIUM. LEAD - ZINC - COPPER ION EXCHANGE USING NATURAL AND SYNTHETIC ZEOLITES ( PhD. Thesis ) Melek YA?IZ GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY February 1998 ABSTRACT In this study, laboratory experiments were performed to define ion exchange prosess parameters to achieve removal of heavy metal ions from water by using Western Anatolia clinoptilolite which has an important place in natural sources of our country. Lead, cadmium, zinc and copper are the heavy metals searched in the scope of study. In the first step of the study, preparation of sample material in the required size, characterization of the zeolite ( by chemical analysis and X - ray diffraction pattern ) and converting clinoptilolite into mono ionic ( sodium ) form were achieved. Theoretical ion exchange capacity of sodium modified clinoptilolites were found as 2,343 for CLI - 40 and 2,465 for CLI - 12 in meqv cation / gram zeolite. In the second step, the ion exchange equilibrium experiments of the considered metals were studied. While temperature was kept as constantat 25 °C, solution concentrations were exchanged 0,1 N and 0,01 N. Basing on the results of these experiments, ion exchange isotherms for the exchange of metal cations with sodium found in clinoptilolite were constructed. These isotherms have shown that the selectivity sequence of clinoptilolite for these ions found as Pb2+ > Cd 2+ > Cu2+ > Zn2+. These isotherms are compared with the ones obtained for zeolite X. Zeolite X has acted more selectivity than the clinoptilolite for the studied ions. In the third step, ion exchange rate of cadmium and lead were studied in a mixing reaction vessel with two different sample sizes 0,84 - 1,60 mm and 2,0 - 2,5 mm at 25 °C. With the assumption of compatibility of used system with homogenous phase model, a mathematical model developed and it was solved analytically by using Langmuir approach. When experimental and theoretical values were compared, it was found that homogenous phase approach would be applicable for this study. Results showed that, the controlling step in ion exchange was diffusion. After comparision of theoretical and experimental data, the diffusion constants for cadmium and lead ion exchange were found out as; D^/R^ 0,00177 min`1 DPb/R2 = 0,00104 min1 Science Code : 603.02 and 603.01 Key Words : Natural zeolite, Clinoptilolite, Heavy metal, Ion Exchange, Diffusion Page Number : 213 Adviser : Prof. Dr. Müjgan ÇULFAZ