An experimental investigation on heavy metal adsorption onto dye-loaded zeolite Y

Abstract

Endüstriyel işlemler sonucunda açığa çıkan atıklar, çesitli zehirli metal iyonlarını içerirler. Bu ağır metal iyonlarını içeren atık suların alıcı sulara verilmesi, bu atık sulara maruz kalan canlıları tehdit etmektedir. Bu nedenle atık sular, alıcı sulara verilmeden önce uygun metotlarla işlenmelidir. Düşük maliyetleri ve yüksek performansları nedeniyle iyon değişimi, kimyasal çökeltme, zar filtrasyonu, koagülasyon ve özellikle adsorpsiyon, ağır metal iyonlarının atık sulardan uzaklaştırılması için kullanılmaktadır.Çalışmamızda öncelikle zeolit Y sentezlenmiş ve sentezlenen zeolitin çeşitli fizikokimyasal özelliklerini belirmek için FT-IR, XRD, BET, TDA/DTA ve mikroprob analiz teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Saptanan fiziksel özellikler, zeolitin yeterince kristalize olduğunu ve ağır metal iyonlarının adsorpsiyonu için kullanılabileceğini göstermiştir.Hazırlanan zeolit (NZ), farklı örnek hacimleri (10-25 mL), çözelti asitliği (pH: 2-12), başlangıç iyon derişimleri (50-1500 mg L-1), sıcaklık (30-60º C) ve adsorbent kütlelerinde (2.5-2.0 g L-1), Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, ve Pb2+ iyonlarının uzaklaştırılması için adsorbent olarak kullanılmıştır. Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, ve Pb2+ iyonlarının adsorpsiyonlarının pH'a bağlı oldukları bulunmuş ve pH 5.5-6.5 aralıklarında adsorbe edilmişlerdir. Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, ve Pb2+ iyonlarının optimum adsorpsiyonu sırasıyla pH 6.5, 6.0, 5.5, 6.2 ve 6.3 olarak bulunmuştur. Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, ve Pb2+ iyonları için adsorpsiyon dengesine sırasıyla 50, 60, 45, 55, ve 65 dakikada ulaşılmıştır. Bu zaman aralığında adsorpsiyonun yaklaşık % 95'i meydana gelmiştir. Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, ve Pb2+ iyonları için NZ'nin tek iyonlu çözetilerden adsorpsiyon kapasitesi sırasıyla 29.75 mg (0.507 mmol), 37.65 mg (0.592 mmol), 50.88 mg (0.978 mmol), 54.34 mg (0.484 mmol) ve 61.81 mg (0.295 mmol) olarak bulunmuştur. Kütle bazlı adsorpsiyon sırasının Pb2+ > Cd2+ > Cr3+ > Cu2+ > Cr3+ olduğu saptanmıştır. Ancak, yarışmalı sistemde, verimlilik sırası aynı kalmasına rağmen, tüm iyonların adsorbsiyonunun belirgin bir şekilde düştüğü görülmüştür.Ayrıca adsorbe edilmiş metal iyonların ve boyaların desorpsiyonu incelenmiştir. Bu çalışmalarda eluentin seçimi, eluent çözeltisinin şiddeti ve hacim etkileri araştırılmıştır. Desorpsiyon oranı yüksektir ve Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+ ve Pb2+ iyonları için sırasıyla % 96.39, % 89.68, % 92.66, %93.52 ve % 91.37 olarak bulunmuştur. Deneysel koşullarda NZ, kütle bazında kurşun (II) iyonları için daha iyi sonuç vermesine rağmen Desorpsiyon oranları nikel iyonları için %96.39'dur.Bahsi geçen metal iyonlarının sentetik ve gerçek örneklerden (kar, yağmur ve farklı göl suları) önderiştirme ve geri kazanımı da incelenmiştir. Ayrıca, bazı matriks iyonlarının (Ca2+, Mg2+, Fe3+, K+, Na+, Cl ? , SO42 ? , CO32 ? ) etkisi de araştırılmıştır. Sulu çözeltilerden Cu2+, Cd2+, Cr3+, Ni2+, ve Pb2+ iyonlarının azaltılmasında NZ ve modifiye edilmiş NZ'in etkili olduğu bulunmuştur. Çoklu metal sistemindeki adsorpsiyon Pb2+ > Cd2+ > Cr3+ > Cu2+ > Ni2+ sırasındadır.Metil oranj (MO), krosidin (CH), 1-nitroso-2-naftol (NN) ve 1-nitroso-2-naftol-3, 6- disülfonic asit disodyum tuzunun (NS) sulu çözeltilerden NZ'e adsorpsiyonu farklı koşullarında incelenmiştir. Adsorpsiyon kinetikleri, iç parçacık difüzyon hızları, termodinamik parametreler ve adsorpsiyon izotermleri hesaplanmıştır. Ayrıca, farklı oran ve pH'larda metal-boya kompleks oluşumu çalışılmıştır. Yukarıda bahsedilen boyaların adsobsiyonun fiziksel ve ekzotermik bir süreç olduğu bulunmuştur. Seçilen boyalar sulu ortamda metal iyonlarıyla kompleks oluştururken kloroformda rastlanmamıştır. Kompleks oluşumunun da pH'a bağlı olduğu saptanmıştır.Çalışmamızın son kısmında, metil oranjın, hazırlanan zeolit üzerine basit adsorpsiyonu ve in-situ sentezi araştırılmıştır (Mod-1). Ayrıca doğal zeolit silikon tetraklorür (SiCl4) ile muamelesiyle dealumine edilerek modifiye edilmiştir (Mod-2). Son olarak da dealumine edilen zeolite dietilendiamin bağlanmıştır (Mod-3). Modifiye edilmiş zeolitler de FT-IR, XRD, BET ve TDA/DTA teknikleri kullanılarak, karakterize edilmiştir.Tekli metal iyon çözeltileri kullanılarak Mod-1, Mod-2 ve Mod-3, farklı örnek hacimleri, çözelti asitliği (pH), başlangıç iyon derişimleri, sıcaklık ve adsorbent kütlelerinde, Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, ve Pb2+ iyonlarının uzaklaştırılması için adsorbent olarak kullanılmıştır. Çoklu metal sistemleri, örneğin çiftli, üçlü, dörtlü ve beşli karışımların da adsorpsiyonu çalışılmıştır. Bu ortamlarda seçilen metal iyon adsorpsiyonlarının arttığı bulunmuştur. Mod-2, NZ ve diğer modifiye edilmiş zeolitlere göre adsorpsiyon ve desorpsiyon verimi yüksek bulunmuştur.

Effluents resulted from the industrial processes contain various toxic metal ions. Effluents including these heavy metal ions disposed to receiving waters threat the living exposed to this wastewaters. Therefore, prior to disposed to receiving waters the wastewaters should be treated by convenient methods. Ion exchange, chemical precipitation, membran filtration, coagulation and especially adsorption is the method that has been commonly used in the removal of heavy metal ions from wastewaters, because of its low cost and high performance.In our present study zeolite Y has been prepared first and characterized using FT-IR, XRD, BET, TDA/DTA and microprobe analysis technique to determine various physico-chemical properties of prepared zeolite Y. Physical properties determined suggest that the zeolite is chrystalline enough and can be used for the purpose of adsorption of heavy metal ions.The prepared zeolite (Native zeolite, NZ) has been used as adsorbent for the removal of Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ ions at varied sample volume (10-50 mL), solution acidity (pH: 2.0 ? 12.0), initial metal ions concentration (50-1500 mg L-1), temperature (30- 60º C) and adsorbent masses (2.5 - 20.0 g L-1). Adsorption of Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ metal ions has been found highly pH dependent and adsorbed within the pH range of 5.5 - 6.5. Optimum adsorption of Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ ions has been found around pH 6.5, 6.0, 5.5, 6.2, and 6.3 respectively. Adsorption equilibrium has reached within 50, 60, 45, 55, and 65 minutes for Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ metal ions respectively. Almost 95% of adsorption took place within this time period. Adsorption capacities of NZ for Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ metal ions from single metal ions solutions have been found 29.75 mg (0.507 mmol), 37.65 mg (0.592 mmol), 50.88 mg ( 0.978 mmol), 54.34 mg ( 0.484 mmol), and 61.81 mg (0.295 mmol) respectively. Adsorption on the mass basis have been found in the order of: Pb2+ > Cd2+ > Cr3+ > Cu2+ > Ni2+ . However, in the case of competitional system, although the efficiency sequences remained unchanged but the adsorption of all the ions have been found decrerases considerably.Desorption of adsorbed metal ions have been studied. The studies involve the selection of eluent, effect of strength and volume of eluent solution. It has been observed that 20 mL of 0.5 mol L-1 nitric acid can desorb almost 95% of metal ions adsorbed. Desorption ratio has been observed high and found to be 96.39%, 89.68%, 92.66%, 93.52% and 91.37% for Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ metal ions respectively. Although the NZ has yielded better adsorption result for lead (II) metal ions on mass basis, desorption rates has been found as 96.39% for nickel ions under the experimental conditions.Preconcentration and recovery for the mentioned metal ions from synthetic and real samples (snow, rain,and different lake water) have also been investigated. Influence of some matrix ions (Ca2+, Mg2+, Fe3+, K+, Na+, Cl ? , SO42 ? ,CO32 ? ) have further been investigated. It has been observed that NZ and modified NZ have been found effective for the depletion of Ni2+, Cu2+, Cr3+, Cd2+, and Pb2+ metal ions from aqueous solutions. Adsorption from multi-metal system has also been found in the order of: Pb2+ > Cd2+ > Cr3+ > Cu2+ > Ni2+.Adsorption of methyl orange (MO), chrysoidine (CH), 1-nitroso-2-naphthol (NN), and 1-nitroso-2-naphthol-3, 6-disulfonic acid disodium salts (NS) dyes from aqueous solution onto native zeolite under different ambient condition has been investigated. Adsorption kinetics, intra-particle diffusion rate, thermodynamic parameters and adsorption isotherms have been calculated. Metal-dye complex formation at different dye-ions ratios and pH has also been studied. Adsorption of above dyes have been found exothermic and of physical nature. Most of the dyes formed complexes with metal ions at various dye-ions ratios in aqueous media but not in chloroform. Complex formation has also been found pH dependent.In the last part of study, simple adsorption and in-situ synthesis of methyl orange onto native zeolite has been investigated (Mod-1). The zeolite Y structure has further been modified through dealumination by the treatment of silicon tetrachloride (Mod-2). Finally, diethylenediamine has been coupled with the dealuminated zeolite (Mod-3). Modified zeolites have also been characterized by FT-IR, XRD, BET, and TDA/DTA techniques.The Mod-1, Mod-2, and Mod-3 have been used as adsorbent for the removal of Cr3+, Cu2+, Cd2+, Ni2+ and Pb2+ metal ions at varied sample volume, solution acidity (pH), initial metal ions concentration, temperature and adsorbent masses using the singular metal ions solution. Adsorption from multi-metal system, e.g binary, ternary, quartnary and pentnary mixtures have also been investigated. Adsorption of the selected metal ions in these studies have been found increasing. Adsorption and desorption efficiency of Mod-2 has been found reasonable and satisfactory over NZ and other modified zeolites.