Removal of toxic species (NO3-, F-) from water by ion exchange, electrodialysis and sorption methods

Abstract

Yeraltı ve yeryüzü sularındaki nitrat kirliliği dünyada önemli bir sorunoluşturmaktadır. Yeraltı sularındaki nitratın yüksek derişimlerine ziraattayoğun gübreleme çalışmaları, insan ve hayvan atıkları, evsel ve sanayi atıksularının kontrolsüzce toprağa deşarj edilmesi neden olmaktadır.Bu çalışmada, iyon değiştirme ve elektrodiyaliz yöntemleri ile sulardannitratın giderilmesi incelenmiştir. Kuvvetli bazik anyon değiştirici reçine olanPurolite A 520E ticari reçinesi nitrat giderimi için kullanılmıştır. Kesikli vesürekli işlemler model çözeltiler ve ülkemizin Batı Anadolu bölgesindekizirai uygulama yapılan bir bölgedeki yeraltı suları kullanılarakgerçekleştirilmiştir. Reçine miktarının, reçine tanecik boyutunun, karıştırmahızının, sıcaklığın, nitrat derişiminin, diğer iyonların varlığının nitrat giderimiüzerine etkisi gibi değişik deneysel parametrelerin etkileri incelenmiştir.Reçinenin denge ve kinetik davranışları incelenmiştir. Çeşitli modellerkullanılarak kütle aktarım mekanizmaları bulunmaya çalışılmıştır. Yeraltısuyundan nitrat giderimi için kolon adsorpsiyon-elüsyon çalışmalarıuygulanmıştır. Nitrat bu reçineden 0.6 M NaCl çözeltisi ile nicel olaraktamamen sıyrılabilmiştir. Sudan nitratın elektrodiyaliz ile ayrılması,uygulanan gerilim, akış hızı, çözeltideki nitrat derişimi, diğer iyonların etkisigibi besleme karakteristiklerinin bir fonksiyonu olarak incelenmiştir.Deneylerde, Tokuyama firması tarafından üretilen modifiye edilmiş, modelTS-1-10 Elektrodiyaliz cihazı kullanılmıştır. Denemeler sırasında derişik veseyreltik tankların giriş ve çıkış akımları belirli aralıklarla, akım 0,01 Adeğerine düşene dek ölçülmüştür. Özgül güç tüketimi (SPC) sadece membrandizisindeki, elektrik enerjisi tüketimi olarak hesaplanmıştır. Yeraltı suyundannitrat giderimi için elektrodiyaliz ve iyon değiştirme yöntemleri birbiriardından kullanılmıştır. Nitrat, yeraltı suyundan etkili bir şekildegiderilmiştir.Su kaynaklarındaki florür iyonunun yüksek derişimlerine doğaljeolojik oluşumlar ve sanayi atık sularının deşarjı neden olmaktadır. Florüriyonu derişim değerlerine bağlı olarak dişlerde kalıcı lekelere ve iskeletsisteminde florosis denilen hastalığa ve ileri boyutta toksik etkilere sebepolur. Tezin bu çalışmasında, kesikli deney şartları kullanarak, sulardan floruriyonu gideriminde modifiye edilmiş doğal zeolitin rolü incelenmiştir. Doğalzeolit olarak Manisa-Gördes yöresindeki clinoptilolite kullanılmıştır. Zeolitörnekleri, HNO3 çözeltisi ile (ZEO-1), NaNO3 çözeltisi ile (ZEO-2) ve su ilemuamele edilmiştir. Bu zeolitlere Al3+, La3+ ve ZrO2+ metal(ZEO-2),iyonları bağlanmıştır. ZEO-1 tipi zeolit daha yüksek metal bağlamakapasitesi göstermiştir. Florür iyonunun giderimine ilişkin zeolitin dengeşartları verilmiştir. ZEO-1 tipi zeolit ile iyi bir verimle florür giderimisağlanmıştır.ANAHTAR SÖZCÜKLER: nitrat ve florür giderimi, iyon değiştirme,elektrodiyaliz, Purolite A 520E, hibrid proses, zeolit, clinoptilolite

Nitrate contamination in surface and groundwater is an increasinglyimportant problem for all over the world. In this study, nitrate removal fromaqueous solutions and ground water was performed by ion exchange andelectrodialysis. Batch and column process related to ion exchange methodwere performed using model solutions and ground water. Strong base anionexchange resin Purolite A 520E was used for nitrate removal. Experimentalparameters were investigated and the optimum conditions for nitrate removalwere determined. Kinetic and equilibrium properties of the resin weredetermined. Column sorption-elution studies for nitrate removal from groundwater were performed using the resin Purolite A520E. Nitrate was effectivelyremoved from the ground water. The existence of chloride and sulfate ionsinfluenced the breakthrough capacity of the resin for nitrate. Theelectrodialytic separation of nitrate from water was investigated as a functionof feed characteristics such as applied voltage, feed flow rate and nitrateconcentration in the solution. The separation performance was evaluated interms of mass transfers and energy consumptions. TS-1-10 electrodialysisequipment (Tokuyama) was used in experimental studies. During unsteadystate run of ED system, both inlet and outlet concentrations of nitrate andconductivities of streams were measured at certain time intervals until thecurrent drops to 0.01 A. It was obtained that percent removal of nitrate fromthe solution increased when the concentration of nitrate in the feed solutionincreased. Specific power consumption (SPC) was calculated as theelectirical energy consumed only in stack. Electrodialysis-ion exchangehybrid process was used for the removal of nitrate from ground water. Nitratewas effectively removed from the ground water.The source of fluoride ion in water environments results from naturalformations and discharge of industrial wastewater. In this study, removal offluoride from water by metal loaded zeolite was studied. Clinoptilolite typesamples of zeolite in Manisa-Gördes in Western Anotalia (< 45µm) wereemployed in experimental studies. Zeolite samples were modified with HNO3solution (ZEO-1), NaNO3 solution (ZEO-2), and deionized water (ZEO-3).Al3+, La3+ and ZrO2+ metal ions was loaded on these zeolites. It was seen thatZEO-1 type zeolite has been higher metal bounded capacity on zeolite.Batch-mode fluoride removal from aqueous solution and tap water by metalion by modified zeolites loaded metal ion. Zeolite amount for fluorideremoval was determined. Equilibrium properties of metal ion loaded zeoliteswere determined. These results show that ZEO-1 type zeolite can be usedeffectively for the removal of fluoride from water.KEY WORDS: nitrate and fluoride removal, Ion Exchange,Electrodialysis, Purolite A 520E, hybrid process, zeolite, clinoptilolite.