Hibrit Mikrofiltrasyon Teknolojisi İle Sulu Ortamdan Nikel Giderimi

Abstract

Bu çalışmada, yüzey aktif madde (YAM) destekli hibrit toz aktif karbon (TAK)/çapraz akış mikrofiltrasyon (ÇAMF) teknolojisi kullanılarak sulu ortamdan nikel iyonlarının giderimi incelenmiştir. Değişkenler, tür ve proses değişkenleri olarak iki gruba ayrılmış ve deneyler, bu iki değişken grubu üzerinden ayrı ayrı olmak üzere deneysel tasarım ile gerçekleştirilmiştir. Membran tipi (MT), membran gözenek boyutu (MGB), adsorbent tipi (AT) ve YAM tipi (YAMT) olmak üzere 4 tür değişkeni ve proses süresi (t), geri devir süresi (t ), pH, sıcaklık (T), TAK konsantrasyonu (CTAK), YAM konsantrasyonu (CYAM), nikel konsantrasyonu (CNi), çapraz akış hızı (v) ve membran geçiş basıncı (deltaP) olmak üzere 9 proses değişkeni dikkate alınmıştır. Sonuçlar, proses performansı parametreleri olarak nikel süzüntü oranı (RNi), YAM süzüntü oranı (RYAM) ve proses süresi sonundaki akıya (J*) ilave olarak, membran kirlenmesi parametreleri olarak uyarlanmış kirlenme indeksi (UKİ), spesifik kek direnci (α) değerleri ve birim membran alanında tutulan katı kütlesi (ω) parametreleri dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Tür değişkenleri deneylerinde YAMT, proses performansı ve membran kirlenmesi üzerine en etkili tür değişkeni olarak belirlenmiştir. “Membran, adsorbent, gözenek boyutu ve YAM türü” itibariyle uygun tür değişkenleri, membran üzerinde hem en az kütle tutunumunun ve kirlenmenin olduğu hem de en yüksek YAM gideriminin elde edildiği şartları sunan, “selüloz nitrat, C9157, 0.45 mikrom ve 1-hekzadekansülfonik asit sodyum tuzu” olarak elde edilmiştir. Proses değişkenleri deneylerinde nikel giderimi, 10 mg/L’lik nikel konsantrasyonununda, yaklaşık % 9-96 aralığında değişmiş iken; 300 mg/L’lik nikel konsantrasyonundaki değişim, farklı proses şartlarına rağmen yaklaşık % 55-61 aralığında meydana gelmiştir. Her bir proses değişkeninin ve seviyelerinin, her bir proses performansı ve membran kirlenmesi parametresi üzerine farklı etkilerinin olduğu saptanmıştır. Proseste baskın nikel giderim mekanizmasının, YAM’lerin anyonik baş grubu ile nikel iyonlarının iyonik bağlanması ve nikel bağlamış YAM agregalarının TAK üzerine adsorbsiyonu suretiyle nikelin TAK’a dolaylı adsorbsiyonu şeklinde olduğu belirlenmiştir. Tasarım deneyleri sonuçlarından hareketle geliştirilmiş modellere göre, RYAM ve J* için kabul edilebilir hassasiyetler elde edilmiş ise de, yüksek nikel konsantrasyonunda (300 mg/L) model hassasiyetlerinin düşük olduğu görülmüştür. Bu noktada, tasarım deneylerindeki YAM ve TAK konsantrasyonları değişkenlerine ait yüksek seviyelerin (sırasıyla 3 kat kritik misel konsantrasyonu (1.08 mM) ve 4 g/L), yüksek nikel seviyesinde (300 mg/L) yüksek nikel süzüntü oranı eldesi için yeterli miktarlarda olmadığı anlaşılmıştır. Bu itibarla, hibrit prosesin gerçek atıksulara uygulanmasında, birim giderilecek ağır metal miktarı için TAK/YAM oranının dikkate alınması gereken en önemli değişken olduğu sonucuna varılmıştır.

In this study, the removal of nickel ions from aqueous solution was investigated using surface active matter (SAM) enhanced hybrid powdered activated carbon (PAC)/crossflow microfiltration (CFMF) technology. The variables were separated to two groups as component and process variables and the experiments were separately carried out via these two variable groups by means of experimental design. 4 component variables as membrane type (MT), membrane pore size (MPS), adsorbent type (AT) and SAM type (SAMT) and 9 process variables as process time (t), recycling time (t ), pH, temperature (T), PAC concentration (CPAC), SAM concentration (CSAM), nickel concentration (CNi), crossflow velocity (v) and transmembrane pressure (deltaP) were taken into account. The results were evaluated considering nickel rejection (RNi), SAM rejection (RSAM) and flux at the end of the process time (J*) as process performance parameters in addition to modified fouling index (MFI), specific cake resistance (α) and total dried mass of cake per unit membrane area (ω) as membrane fouling parameters. In the experiments of component variables, SAMT was determined as the most effective component variable on process performance and membrane fouling. Appropriate ones of component variables in combination of “membrane, adsorbent, pore size and SAM types” were achieved as “cellulose nitrate, C9157, 0.45 mikrom and 1-Hexadecanesulfonic acid sodium salt” which exhibited both the lowest of mass deposition and fouling on membrane and the highest SAM rejection, respectively. In the experiments of process variables, while the nickel rejection approximately changed in the range of % 9-96 for nickel concentration of 10 mg/L; in spite of the various process conditions, its variation approximately occurred between % 55-61 for nickel concentration of 300 mg/L. It was determined that, each process variable and their levels exhibited different effects on each of process performance and membrane fouling parameters. Ionic binding of nickel ions by means of anionic head group of SAMs and indirect adsorption of nickel ions on PAC through adsorption of nickel bound SAM aggregates on PAC was specified as dominant nickel removal mechanism in the process. According to the models which were developed from the design experiments, although the acceptable sensibilities were achieved for RSAM and J*, the sensibilities of the models were seen to be low at high nickel concentration (300 mg/L). At this point, it was understood that, high levels relating to SAM and PAC concentrations (3 times critical micelle concentration (1.08 mM) and 4 g/L, respectively) in the design experiments was not enough to achieve high nickel rejection at high level of nickel concentration (300 mg/L). Thus, it was arrived at a conclusion that, PAC/SAM ratio is the most important variable for heavy metal amount to be removed per unit, in the application of hybrid process to the real wastewaters.