Fen Bilimleri Projesi – ATIĞINDAN ATIK SUYUNU TEMIZLE: ÇEREZ KABUKLARININ ATIK SULARDAKI AĞIR METALLERI TEMIZLEMEDEKI ROLÜ

Proje Adı:

Atığından atık suyunu temizle: Çerez kabuklarının atık sulardaki ağır metalleri temizlemedeki rolü

Proje Amacı:

Günlük hayatta tükettiğimiz kuruyemiş atıklarından (kabuk) yararlanılarak, sulara karışan ağır metallerin sudan uzaklaştırılmasını sağlamak. Ayrıca, kuruyemiş kabuklarının granül büyüklüğünün atık sudan metal giderim verimi üzerine etkisini araştırmak.

Giriş:

Endüstride çeşitli alanlarda ağır metaller kullanılmaktadır. Kurşun, maden sanayi, cam sanayi, petrol endüstrisinde, boya sanayinde ve matbaa kullanılmaktadır. Bakır, maden sanayi, metal sanayi, uçak sanayinde ve kâğıt sanayinde kullanılmaktadır. Çinko metali ise, maden sanayi, metal sanayi ve kimya sanayinde kullanım alanı bulmaktadır. Bu durum endüstri atık sularında ağır metallerin var oluş nedenini açıklamaktadır. Sözü edilen ağır metaller fabrika atıklarıyla birlikte sulara karışmaktadır. Kaplamacılıkta kaplama banyosunda 20 ila 120 mg/L oranında bakır atık su olarak karşımıza çıkmaktadır (EPA, 1979). Boya fabrikası atık sularında EPA (Environmental Protection Agency) tarafından yapılan çalışma sonuçlarına göre 20 mg/L derişimde kurşuna rastlanabilmektedir (EPA, 1979).

Metallerin su ve atık sudan giderimi oldukça önemli bir konudur. Nitekim metaller çevrede ve canlılarda birikme özelliği göstermeleri, toksik yapıları ve kanserojen etkileri nedeniyle önemli çevre kirleticileri arasında yer almaktadırlar. Bu metaller içersinde kurşun, çinko, bakır, kobalt, kadmiyum, krom, nikel, arsenik, cıva ve gümüş gibi metal iyonları belirli bir seviyenin üzerinde olduğunda, canlı sistemleri üzerindeki birikim ve toksik etki önemli ölçüde artış göstermektedir. Bu nedenle ağır metal atık içeren sular doğaya büyük oranda zarar verir. Suda biriken atıklardan, suda bulunan organik ve inorganik maddeler zarar görür. Kurşun, fetus ve bebeklerde olumsuz etkilere yol açtığı gibi ayrıca birçok kronik hastalığa da sebep olabilmektedir. Dünya sağlık örgütü (WHO) sınıflandırmasına göre (1995) kursun, 2.sınıf kanserojen gruptadır (European Commission Report, 2002). Metal atıkları sebebiyle sularda algler, bakteriler ve küfler oluşarak sudaki oksijen miktarını azalmaktadırlar. Bakır ve çinko metalleri ise, insan vücudu için az dozlarda gerekli olmakla beraber yüksek oranda maruz kalınma durumunda anemi, böbrek, mide, bağırsak ve akciğerlerde çeşitli rahatsızlıklara yol açmaktadır. Bakır, çoğunlukla bakır borulardan geçen içme suyu yoluyla insanlara ulaşmaktadır. Hafif alkali sularda hidroksit, çürüyen organik madde içeren sularda sülfür şeklinde çökelen bakır balıklar için kuvvetli bir zehirdir (Filiz, 2007).

  Görüldüğü gibi günümüzde hayatımızı pek çok alanda kolaylaştıran teknoloji ve sanayi, aynı zamanda ciddi çevre problemlerine yol açmakta, canlıların sağlığında olumsuz etkilere yol açmaktadır. Teknolojinin gerekliliği yadsınamaz ancak, kullanılan teknoloji gelişirken çevreye olan olumsuz etkilerinin de ortadan kaldırılması için önemli çalışmalar yapılması gerekmektedir. Bu doğrultuda çevreye zararlı etkileri olan, özellikle sularda birikerek su kirliliğine yol açan ağır metallerin sudan uzaklaştırılması gerekmektedir. Adsorpsiyon yöntemi pek çok toksik organik bileşikte olduğu gibi metal gideriminde de sıklıkla kullanılan etkin bir yöntemdir. Ancak, bu yöntemin verimli olarak kullanılabilmesi için adsorban olarak seçilen materyalin ucuz ve etkin olması gerekmektedir. Adsorpsiyon da yaygın olarak kullanılan adsorban yüzey alanının fazlalığı nedeniyle aktif karbondur. Aktif karbon ağır metallerin, boyarmaddelerin ve organik maddelerin adsorpsiyonunda, sahip olduğu geniş yüzey alanı ve poröz yapısıyla etkin olarak kullanılan bir adsorbandır. Ancak, aktif karbon ve aktif karbon üretimi oldukça pahalıdır. Maliyeti düşürmek amacıyla iki farklı yol izlenmektedir. Bunlardan ilki aktif karbon eldesinde gıda fabrikasyon atıklarının kullanımıdır. (Gharaibeh ve ark. 1998; Toles ve dig., 1998). İkinci yöntem ise, aktif karbona alternatif ucuz doğal adsorbanlar bulunmasıdır. Bunun için çoğunlukla ucuz, doğada bol olarak mevcut olan materyallerin (kül, kil vb) veya çeşitli endüstriyel atıkların (üzüm çekirdeği, zeytin fabrikası katı atıkları, talaş, fosfojips ve koyun yünü vb)  adsorban olarak kullanımı yoluna gidilmektedir (Balkaya ve Cesur, 2002; Bilgin ve Balkaya, 2003; Apak ve ark., 1998).

  Ülkemiz fındık, ceviz ve yer fıstığı üretici ülke sıralamasında ilk 4 arasında bulunmaktadır (Anon, 2004a, b). Bu ürünlerde kabuk oranının % 45-55 olduğu kabul edilirse atık olarak bulunan kabuk miktarlarının da çok büyük olduğu görülmektedir. Belki de bu nedenle, kabuklu yemişlerden aktif karbon üretimi pek çok çalışmanın konusu olmuştur. Bu çalışmalarda ceviz kabukları (Toles ve dig., 1998; Kim ve dig., 2001), yer fıstığı kabukları (Girgis ve dig., 2002), Antep fıstığı kabukları (Attia ve dig., 2003; Hayashi ve dig., 2002) ve fındık kabukları (Aygün, 2002; Dermanlı 2006) kullanılarak aktif karbon elde edilmiştir. Ancak, sözü edilen kabukların aktif kömüre çevrilmeksizin doğal halleriyle adsorban özellikleri araştırılmamıştır. Bu durum çalışmamızın çıkış noktasını oluşturmuştur. Evlerimizde tüketmekte olduğumuz kuruyemişlerden ceviz, fındık ve yer fıstığının kabukları atık sularda bulunan ağır metallerden bakır, çinko ve kurşun iyonlarını ne ölçüde üzerinde tutabilir ve sudan uzaklaştırabilir? Sorusu ile başlayan projemiz, sertliği nedeniyle toz haline getirmekte zorluk çekilebilecek ceviz kabuklarının granül büyüklüğünün adsorban özelliği üzerine etkisinin var mıdır? Sorusu ile son bulmuştur.

 Bu projede gıda fabrikalarının atıkları arasında yer alan ceviz, fındık ve yer fıstığı kabukları her hangi bir işleme tabi tutulmadan doğal halleriyle adsorban olarak kullanılmış ve sentetik atık sulardaki Cu, Zn ve Pb iyonlarını tutma özellikleri incelenmiştir. Çalışmalar sırasında Marmara Üniversitesi Atatürk Eğitim Fakültesi Öğretim üyesi Doç. Dr. Filiz Kabapınar?dan destek alınmıştır.

 

Araştırma problemi: Çeşitli yollarla suya karışan ağır metallerden bakır (Cu), çinko (Zn) ve kurşun (Pb), fındık, ceviz ve yer fıstığının kabuklardan yararlanarak sudan uzaklaştırılabilir mi? Sert bir kabuk olması nedeniyle toz haline getirilmesi zor olan ceviz kabuğunun granül halinin adsorban özelliği ile toz haldeki ceviz kabuğunun adsorban özelliği arasında fark var mıdır?

Yöntem:

Kuruyemiş kabuklarının atık sudaki ağır metalleri tutma kapasitesini belirleyebilmek amacıyla, kontrollü deneyler gerçekleştirdik. Bu deneylerde, ceviz, yer fıstığı ve fındıkkabukları öğütülmüş ve olabildiğince toz haline getirilmeye çalışılmıştır. Çok sert olmasına karşın ceviz kabukları da elektrikli öğütücü ile tamamen toz haline getirilmiştir. Buna karşın, oldukça zaman almış ve tüm uğraşlarımıza rağmen verim düşük olmuştur. Bir bölüm ceviz kabukları elekten geçirilirken granül haline eleğin üzerinde kalmıştır. Bunun üzerine, ikinci araştırma problemi olan granül ve toz ceviz kabuklarının ağır metalleri tutma özelliklerini karşılaştırılması deneyini planlanmıştır.

Sentetik suyu temsilen hazırlanacak çözeltilerde çinko (II), kurşun (II) ve bakır (II) iyonları bir gram olacak şekilde çinko sülfat  (ZnSO4), kursun nitrat (Pb(NO3)2) ve bakır nitrat penta hidrat?tan (Cu(NO3)2.5 H2O) hazırlanmıştır. Bunun için 4,42 g ZnSO4tartılmış ve 1 L çözelti hazırlanmıştır. Benzer şekilde, sırasıyla 1,6 g Pb(NO3)2ve 3,93 g Cu(NO3)2.5 H2O katıları da 1 L?ye tamamlanarak çözeltiler hazırlanmıştır. Kullanılan kimyasal maddeler Merck mavi bant kalitesinde olup, analitik saflıktadır. Yapılan araştırmalar adsorpsiyonda çözelti pH?ının süreci etkilediğini gösterdiğinden, her bir çözeltinin pH?ına bakılmıştır. Tüm çözeltilerin pH değeri 5 çıktığı için ve bu değer çözeltiler için literatürde önerilen pH değerine uygun olduğundan herhangi bir pH ayarı yapılmamıştır. Hazırlanan tüm çözeltiler 1000 ppm?lik olduğundan su ile seyrelterek 500 ppm?lik çözeltiler dönüştürülmüş ve deneylerimizde bu çözeltiler sentetik atık su olarak kullanılmıştır.

 

Toz haline getirilen kabuklardan birer gram tartarak, bir erlene toz maddemizi koyduk. Aynı erlene hazırladığımız çinko, bakır ve kurşun iyonları içeren sentetik atık sulardan bir pipet yardımıyla 25 mL ilave ettik. Erlenlerdeki çözeltileri ağzı kapalı olacak şekilde iki gün beklettik. İkinci günün sonunda erlenleri manyetik karıştırıcıda 1 saat süreyle karıştırdık. Karıştırma işlemi tamamlandıktan sonra erlenler ağzı kapalı bir biçimde 1 gün daha beklettik. Karışımları süzgeç kâğıdı yardımıyla süzdük ve süzüntüleri atomik adsorpsiyon ölçümleri için Çanakkale 18 Mart Üniversitesi Kimya Laboratuvarı?na gönderdik. Burada gerektiğinde santrifüj yapılan süzüntüler ICPOS Optima-8000 Perkin Elmer cihazı ile atomik adsorpsiyon ICP ölçümleri yapıldı.

 

Verilerin analizi

Atomik adsropsiyon ICP ölçümleri sentetik atık sulardaki ve süzüntüdeki iyonların litredeki miktarlarını miligram cinsinden okuduğundan, iki sayı arasındaki fark bulunarak fındık, ceviz ve yer fıstığı kabukları tarafından tutulan iyonların miktarını belirledik. Elde ettiğimiz mg/L değerinden de toz atık maddemiz üzerinde tutulan (adsorbe olan) iyonun yüzde oranını hesapladık.

 

Bulgular

Deneylerimizde hem tamamıyla toz haline getirdiğimiz fındık, yer fıstığı ve ceviz kabuklarının ağır metal iyonlarını tutma oranlarını hem de granül ve toz ceviz kabuklarının ilgili metal iyonlarını tutma oranlarını karşılaştırdık.

                                                              Zn+2  94.42 mg/L                    Cu+2  22.31 mg/L                      Pb+2  478.8 mg/L

Fındıkkabuğu

Süzüntüde kalan  (mg/L)                 67.28                                 9.76                                      0.049

Adsorbe olan (mg/L)                              27.14                                 12.55                                    478.75

Adsorbe Yüzde                                          %28.7                                          %56.3                                             %99.9

 

Yer Fıstığı kabuğu

Süzüntüde kalan  (mg/L)                 69.52                                      13.75                                0.047

Adsorbe olan (mg/L)                              24.9                                        8.56                                  478.75

Adsorbe Yüzde                                          %26.4                                                %38.4                                          %99.9

 

Ceviz kabuğu

Süzüntüde kalan  (mg/L)                 66.32                                      9.41                                      0.052

Adsorbe olan (mg/L)                              28.1                                        12.9                                     4478.75

Adsorbe Yüzde                                          %29.8                                                %57.8                                             %99.9

 

Tablodaki veriler incelendiğinde Fındıkkabuğunun Zn iyonlarının % 28.7 sini adsorbe ettiği, Cu iyonlarının % 56.3 ünün adsorbe ettiği görülmektedir. Pb iyonlarının ise, %99.9 unu adsorbe ettiği görülmüştür. Yer fıstığı Zn ve Pb iyonlarını benzer oranda adsorbe ederken Cu iyonlarını daha düşük yüzdede adsorbe etmiştir. Ceviz kabuğunun adsorbe etme yüzdeleri tüm iyonlarda fındıkkabuğu ile benzerlik göstermektedir. Buna göre, tablo verileri genel olarak incelendiğinde fındıkkabuğu, fıstık kabuğu ve ceviz kabuğunda en iyi adsorbe olan ağır metalin Pb iyonları olduğu görülmektedir. Pb iyonlarının neredeyse tamamı sentetik sudan temizlenmiştir. Bulgularımızdan deneyimizde kullandığımız tüm çerez kabukların kurşun iyonlarını tutucu özelliğinin yüksek olduğu anlaşılmaktadır. Ayrıca, Fındık ve ceviz kabuklarının bakır iyonlarını tutucu özelliğinin çok daha lifli ve ipliksi bir yapısı olan yer fıstığı kabuğuna kıyasla daha yüksek olduğu da elde ettiğimiz bulgulardan anlaşılmaktadır.

 

                                                          Zn+2   94.42 mg/L              Cu+2  22.31 mg/L           Pb+2  478.8 mg/L

Toz ceviz kabuğu

Süzüntüde kalan  (mg/L)           66.32                              9.41                            0.052

Adsorbe olan (mg/L)                     28.1                                12.9                            478.75

Adsorbe Yüzde                               %29.8                                       %57.8                                  %99.9

 

Granül ceviz kabuğu

Süzüntüde kalan  (mg/L)        89.09                                      17.40                          11.74

Adsorbe olan (mg/L)                  5.33                                       4.91                            467.06

Adsorbe Yüzde                             %5.7                                                 %22.0                                 %97.5

Adsorban olarak kullanılan toz ceviz kabuğu ve granüllü ceviz kabuğunun Zn, Cu ve Pb iyonlarını adsorbe etme verileri incelendiğinde, toz ceviz kabuğunun tüm iyonları daha yüksek oranlarda sentetik sudan uzaklaştırdığı görülmektedir. Granül ceviz kabuğuna kıyasla toz ceviz kabuğu çinko iyonlarını 6 kat daha fazla tutmuş, bakır iyonlarını ise 2 kat daha fazla tutmuş görünmektedir. Granül büyüklüğü açısından farklı olan ceviz kabukları kıyaslandığında Pb iyonlarını tutucu özellikleri arasındaki farkın çok daha az olduğu görülmektedir.

 

Proje Bütçesi: 250 TL

Proje Çalışmasının Takvimi:

15 Ekim – 24 Aralık: Araştırma ve bilgi toplama

02 ? 03 Ocak: Deney hazırlık çalışmaları

07 Ocak ? 11 Ocak: Çözeltilerin hazırlanması

12 Ocak: Örnek numunelerin ATOMİK ABSORBSİYON SPEKTROSKOPİSİ (AAS) ölçümlerinin yaptırılması

15 Ocak: verilerin tablolaştırılması

 

Ulaşılan Sonuçlar:

            Yapılan deneylerde hem tamamıyla toz haline getirdiğimiz fındık, yer fıstığı ve ceviz kabuklarının ağır metal iyonlarını tutma oranları hem de granül ve toz ceviz kabuklarının ilgili metal iyonlarını tutma oranları karşılaştırılarak adsorban olarak hiçbir işleme tabi tutulmayan doğal malzemelerin adsorban özelliğinin araştırılması hedeflenmişti. Elde edilen sonuçlar göz önüne alındığında fındık, fıstık ve ceviz kabuklarının tamamının doğal adsorban özelliğinin olduğu tespit edilmiştir. Ancak özellikle kurşun (II) iyonlarının sudan ayrıştırılmasında bu doğal malzemelerin oldukça etkili olduğu ve elde edilen verilere göre Pb (II) iyonlarının  %99.9 unun bu maddelerle sudan uzaklaştırıldığı görülmüştür. Ayrıca toz haline getirilmesi güç olan granül cevizde de kurşun iyonlarına karşı benzer absorban özellikleri tespit edilmiştir.

Sonuçların Değerlendirilmesi:

            Günümüzde deneyde kullanılan çerez kabuklarından endüstriyel yöntemlerle aktif karbon elde edilmekte kullanılıp adsorban özelliğinde yararlanılmaktadır. Ancak bu yöntem hem zaman alıcı hem de zahmetli bir yöntemdir. Projemizde çerez kabuklarının ağır metal iyonları arasında yer alan öinko, kurşun ve bakır iyonlarına karşı doğal birer adsorban olarak işlev gördüğünü belirledik. Bu nedenle doğal olarak evsel atık olan ya da fabrika gıda atıkları olan çerez kabuklarının çok kolay bir yöntemle adsorban olarak kullanılabilir olabildiği sonucuna ulaştık. Özellikle kurşun kirliliğinin yoğun yaşandığı yerlerde kurşunun sudan tamamen uzaklaştırılması için kullanılan doğal atıklar iyi birer adsorban olarak kullanılabilir. Böylelikle hem ucuz ve zahmetsiz bir yöntemle su temizliği sağlanırken hem de atık malzemeler yararlı bir amaç için kullanılmış olur. Ayrıca, serliği nedeniyle toz haline getirilmesi güç olan ceviz kabuklarının granül halde de kurşunun ayrıştırılmasında etkili bir adsorban olarak kullanılabilir.

Kaynaklar:

 

EPA (1979). Development Document for Effluent Guidelines and Standarts for the Paint Formulating, EPA-440/1-79/049-b, USA.

Balkaya, N. ve Cesur, H. (2002). Fosfojips Kullanılarak Kurşun Giderimi, Ekoloji Çevre Dergisi, 11 (42),  27-29.

Sağlam, N. Ve Cihangir, N. Ağır Metallerin Biyolojik Süreçlerle Biyosorbsiyonu Çalışmaları, Hacettepe Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi,  sayı 11: sayfa157-161.

Bilgin, A. ve Balkaya, N. (2003) Atık sudan kurşun adsorpsiyonunda koyun yünü kullanımı, Ekoloji Çevre Dergisi, 12 (47), 1-4.

Apak, R., Tütem, E., Hugül, M. ve Hızal, J. (1998) Heavy Metal Cation Retention by Unconventional Sorbents (Red muds and fly ashes). Wat. Res., 32, 2, 430-440.

Gharaibeh, S.H., Abu-El-Sha’r, W.Y. ve Al-Kofahi, M.M. (1998) Removal of Selected Heavy Metals from Aqueous Solutions Using Processed Solid Residue of Olive Mill Products. Wat. Res., 32, 498-502.

Aktif karbon boyarmadde adsorpsiyonunda, sahip olduğu geniş yüzey alanı ve poröz yapısıyla etkin olarak kullanılan bir adsorbandır (Tatlı 2003).

 

Ceviz, Antep fıstıgı ve fındık kabukları ögütülmüs, kurutulmus Gıda fabrkasyon atıklarından aktif karbon üretimi ve Soya yagını agartma performansının incelenmesi Yasemin DERMANLI Yüksek linans tezi, 2006, İTÜ FEN BİLİMLERİ ENS

 

Capacity of activated carbon derived from pistachio shells by H3PO4 in the removal dyes and phenolics,

            Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 78, 611-619. Attia, A.A., Girgis, B.S. ve Khedr, S.A., 2003.

Doğal hammaddelerden aktif karbon üretimi ve adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi, Aygün, A. 2002.          Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

 

http://www.fas.usda.gov/htp/horticulture/nuts.html Anon, 2004b. World Hazelnut Situation&Outlook,

 

http://www.fas.usda.gov/htp/horticulture/nuts.html Hayashi, J., Horikawa, T., Takeda, I. ve Muroyama,     F.N.A., 2002. Preparing activated carbon from various nutshells by chemical activation with     K2CO3, Carbon, 40, 2381-2386.

 

Kim, J., Sohn, M., Kim, D., Sohn, S. ve Kwon, Y., 2001. Production of granular activated carbon from        waste walnut shell and its adsorption characteristics for Cu2+ ion, Journal of Hazardous Materials,       85, 301-315.

 

Girgis, B.S., Yunis, S.S. ve Soliman, A.M., 2002. Characteristics of activated carbon from peanut hulls in      relation to conditions of preparation, Materials Letters, 57, 164-172.

 

Toles, C.A., Marshall, W.E. ve Johns, M.M., 1998. Phosphoric acid activation of nutshells for metals and    organic remediation:process optimization,Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 72,         255-263.

 

http://www.heall.com/healingnews/may/heavy_metals.html

European Commission DG ENV. E3 Project ENV.E.3/ETU/2000/0058, “Heavy Metals in Waste” Denmark,February 2002.

 

Doğal kaynaklardan elde edilen adsorbanlarla sulardan ağır metal Giderimi yüksek lisans tezi y. Müh.    Elif filiz (506051007) Temmuz 2007 Tezin, İTÜ FEN BİLİMLERİ