Development of new carbonaceous material from grapefruit peel for the adsorption of Cu+2 ions

Abstract

Bu çalışmada, greyfurt kabuğundan düşük sıcaklıkta-mikrodalga ile hidrotermal karbonizasyon yöntemiyle yeni bir tür adsorbent üretilmiştir. Bu yeni malzemenin adsorpsiyon mekanizması ve Cu+2 iyonunu adsorpsiyon kapasitesi incelenmiştir. Elde edilen malzeme FTIR-ATR spektroskopu ve SEM cihazı ile karakterize edilmiş ve yüzeyde yarıkların oluştuğu, dolayısıyla; aktif yüzey alanının arttığı ve karbonizasyon işlemi sonrasında malzemenin fonksiyonel yüzey gruplarının değiştiği görülmüştür. Farklı koşulların adsorpsiyon kapasitesi (qt, mg/g) üzerine etkileri incelenmiştir. Aktivasyon işlemi ile adsorpsiyon kapasitesi yaklaşık iki katına çıkmıştır. Artan pH, sıcaklık ve başlangıç Cu+2 iyon konsantrasyonu adsorpsiyon kapasitesini de arttırmıştır. Adsorpsiyonun kinetik davranış yalancı ikinci derece, Logistik ve Elovich modelleri ile; izotermal davranış ise Langmuir, Freundlich ve Dubinin-Radushkevich modelleri ile tanımlanmaya çalışılmıştır. Hem R2 hem de SSE değerlerine göre; kinetik verileri tanımlayan en iyi modelin Logistik; denge verilerini tanımlayan en iyi modelin ise Freundlich olduğu görülmüştür. Maksimum adsorpsiyon kapasitesi 318 K ve 60 mg/L Cu+2 konsantrasyonunda 48.22 mg/g olarak elde edilmiştir. Termodinamik hesaplamalar adsorpsiyon işleminin spontan ve endotermik olduğunu ve fiziko-kimyasal bir mekanizma ile kontrol edildiğini göstermektedir. Sonuç olarak; ekonomik, hızlı ve çevre dostu bir üretim tekniğiyle geliştirilen malzemenin Cu+2 iyonu adsorpsiyonunda kullanım potansiyeli olduğu görülmüştür ve bu malzeme diğer ağır metallerin adsorpsiyonu için de geliştirilebilir niteliktedir.

In this study, new kind of adsorbent was produced from grapefruit peel by low temperature-microwave assisted hydrothermal carbonization technique. Adsorption mechanism of this new material and its Cu+2 ion adsorption capacity were investigated. The obtained material was characterized by FTIR-ATR spectroscopy and SEM analyses and new developed slits, dependently increment in surface area and changes in surface functional groups of material were observed after carbonization. Effects of different conditions on the adsorption capacity (qe, mg/g) were studied. Activation process improved the adsorption capacity of adsorbent as almost twice. Increasing pH, temperature and initial Cu+2 ion concentration caused the increment in adsorption capacity. Kinetic behavior was described by Pseudo second order, Logistic and Elovich models while Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich models were carried out to define isothermal behavior of adsorption. According to both R2 and SSE values, Logistic and Freundlich models were found as the best models to describe the kinetic behavior and equilibrium isotherm, respectively. Maximum adsorption capacity was observed as 48.22 mg/g at 318 K and 60 mg/L Cu+2 concentration. Thermodynamic studies showed that adsorption process was spontaneous and endothermic and mainly controlled by physico-chemical mechanism. As a result, adsorbent produced by economic, fast and eco-friendly HTC technique had a good potential as adsorbent in the adsorption of Cu+2 ion and this material could be improved for other heavy metal adsorption processes.