Removal of copper from industrial wastewater using spent coffee grounds

Abstract

Keywords: Adsorption; copper; experimental design; spent coffee grounds.

1. Gi̇ri̇ş

Dünyamızın dörtte üçü suyla kaplı olsa da bu miktarın sadece %2.53’nün tatlı su olması ve %1’inden daha azının ise içilebilir özellik taşıması nedeniyle günümüzde üzerinde durduğumuz en önemli sorunlardan birisi atık suların arıtılması haline gelmiştir. Çünkü evlerden, işyerlerinden olduğu kadar üretim tesislerinden ve farklı ticari işletmelerden kullanıldıktan sonra *

Corresponding Author/Sorumlu Yazar: e-mail/e-ileti: n_akgun@yahoo.com, tel: (224) 314 16 89

uzaklaştırılmak istenilen sular atık su olarak tanımlanmakta olup bu sular organik ve inorganik karışımlardan, ağır metallerden ve hatta bakteri, virüs vb. patojenik olabilecek mikroorganizmalardan oluşabilmektedir. Bu kadar geniş yelpazeyi içeren atık bileşimi; doğal olarak da suların arıtılması söz konusu olduğunda hem çok uzun ve pahalı işlemlerin kullanılmasını gerektirecektir hem de bu sürecin sonuçları canlıları değişik boyutta ve hayati ölçüde etkileyecektir. Tanım olarak su arıtımı; suyun kullanımı sonucunda atık su haline dönüşerek yitirdiği fiziksel, kimyasal ve bakteriyolojik özelliklerin bir kısmını ya da tamamını tekrar kazandırabilmek ve boşaltıldığı alıcı ortamın doğal fiziksel, kimyasal ve ekolojik özelliklerini değiştirmeyecek hale getirebilmesi için uygulanan fiziksel, kimyasal ve biolojik arıtma işlemlerinin birini veya birkaçını içerir [1]. Doğal olarak da atık suyun arıtımında kullanılacak prosesin tipi ve boyutları; atık suyun miktarına, kirlilik derecesine, ulaşılabilecek son değere ve alıcı ortamın türüne göre değişiklik gösterir. Günümüzde, “Paket Atık Su Arıtma Tesisleri”nden çıkan arıtılmış sular, tarımsal sulama da dahil olmak üzere park ve bahçe sulama sistemlerinde rahatlıkla kullanılabilmektedir. Buna rağmen, TÜİK 2010 verilerine göre, kanalizasyon şebekeleri ile toplanan 3.58 milyar m3 atık suyun sadece %76’sı arıtılmış olup bunun da %48.6'sı akarsuya, %41.8'i denize, %3.6'sı baraja, %2.1'i göl ve göletlere, %1’i araziye ve %2.8'i diğer alıcı ortamlara deşarj edilmiştir. Ülkemizde 2010 yılı itibariyle belediyelere ait 39’u fiziksel, 199’u biolojik, 53’ü gelişmiş ve 35’i doğal arıtma sistemi olmak üzere toplam 326 atık su arıtma tesisi bulunduğu için de kullanılan arıtım teknolojilerinin dağılımı; %37.9 gelişmiş, %34.3 biolojik, %27.6 fiziksel ve %0.2 doğal arıtım yöntemlerinin kullanımını içermektedir [2]. Bu çalışma kapsamında ise ağır metal içerikli suların (nikel, kurşun, krom, kadmiyum, çinko, bakır ve cıva gibi ağır metalleri ve oluşturdukları bileşikleri kapsar) arıtımı esas alınmış ve özellikle madencilik, metal kaplama, galvaniz boru üretimi ile ilgili sektörlerde açığa çıkan bakır içerikli atık su örneği üzerinde durulmuştur. Bilindiği üzere atık su, içermiş olduğu metalin özelliğine ve canlılarda birikimine bağlı olarak, kansere neden olmakta ve canlıların sinir sistemini etkilemektedir. Bu nedenle, çok düşük miktarlarda bile olsa ağır metal içeren atık sular, tarımsal ürünlerin sulanması amacıyla kullanılmamalıdır. Özellikle, ağır metallerin bitki bünyesine alınabilirliliği asidik toprak koşullarında (pH<5.5) artış göstermektedir. Bakır açısından toksik etki yapma limiti; bitkiler için 0.1-1.0 mg/L civarındayken içme sularında bu değer 2 mg/L civarındadır [3]. Oysa vücutta biriken fazla bakır, karaciğer tahribatına, gözlerde ise görüş sahasında bozukluklara neden olmaktadır. Karaciğer sirozu ile kan hastalıkları da kronik bakır zehirlenmelerinin bir sonucudur. Bakırın atık suda fazla bulunması, özellikle bakteri, deniz yosunları, balıklar ve mantarlar için de zehirlenme anlamına gelir. Bakır, atık suda Cu+2 iyonları, hidroliz ürünleri CuCO3 veya organik kompleksleri şeklinde bulunabilir. Bu nedenle, Cu+2 iyon kirliliğinin giderilmesinde farklı yöntemler kullanılır. En çok tercih edilen arıtma yöntemleri ise indirgeme ile çöktürme, iyon değiştirme, buharlaştırarak geri kazanım, elektroliz, ultrafiltrasyon, ve ters osmozdur. Bununla birlikte, atık sulardan ağır metal giderimi ile ilgili son yıllarda üzerinde en çok durulan alternatif arıtma yöntemi adsorpsiyon olmuştur. Yöntem, çözeltide çözünmüş halde bulunan maddelerin, uygun bir ara yüzey (adsorban) üzerinde toplanması esasına dayanır. Bu yöntemde tercih edilen adsorbanlar doğal kaynaklı olsa da arıtımın en yüksek verimde gerçekleşmesi için kaynağında ayrılmış olan organik atıklar yine de değişik işlemlerden geçirilerek adsorban özellikleri açısından iyileştirilmeye çalışılmaktadır (Çizelge 1). Örneğin, Amuda ve Ibrahim, çalışmalarında hindistan cevizi [10] kabuklarını 2-3 mm partikül büyüklüğüne gelecek şekilde öğüttükten sonra azot ortamında (0.1 m3/h debi ile) 600°C’de 2 saat süresince piroliz etmiş ardından da toz haline getirdikleri koku, H2SO4 ortamında aktive etmişlerdir. Serbest asitleri uzaklaştırmak için ardışık olarak destile su ile yıkadıktan sonra tozu yeniden %2 (v/v) H2SO4 ile muamele edip 24 saat süresince 110°C’deki fırında bekletmişlerdir. Bu çalışmada, doğal kaynaklı bir adsorban olarak, son derece tozumsu partikül büyüklüğüne sahip olan ve yüksek oranda nem içeren kahve telveleri seçilmiştir. Kahve, Osmanlı İmparatorluğu’ndan beri bilinen bir içecek olmasına rağmen ülkemizde yaklaşık 13 yıl önce

yıkanıp etüvde kurutulmuş beyaz tavuk yumurtası kabukları+Ottawa kumu (1:1)

-sıcak suyla yıkanıp kurutulmuş siyah ve yeşil çay yaprakları - kahve telvesi, -Fuller toprağı -aktif C

yöntem

optimum koşulda uzaklaştırma oranı %92 başlangıç kons.:500 mg/L iyon, 30°C, pH:4, adsorban miktarı: 8 g/L iken uzaklaştırılan iyon yüzdesi %90

başlangıç iyon kons.:2910,1 ppm, adsorban miktarı:4 g, sıcaklık:29°C için max. adsorplama: %49 sıcaklığının yüzey alanına etkisi; 800°C için 0.17 m2/g, 1000°C için 13.98 m2/g, 1200°C için 61.71 m2/g ve 16.7 g/L adsorban miktarıyla %99

max. %95'den fazla Pb uzaklaştırma etkinliği sıralaması: siyah çay, telve>yeşil çay>Fuller toprağı>aktif C

Gloria Jean’s ile başlayan hazır kahve zinciri sayesinde evlerden çıkmış ve farklı bir boyuta taşınmıştır. Çizelge 1. Literatür karşılaştırması

Bugün gelinen noktada toplamda 540’ı aşkın şube, tiryakilere hizmet vermekte ve yıllık müşteri sayısı 10 milyon kişiyi geçmektedir. Kahve tüketiminin neredeyse yarısının Marmara Bölgesi'nde gerçekleştiği ve tüketimin en iddialı olduğu şehrin İstanbul olduğu bu bilanço, aynı zamanda ülkemizde kişi başı kahve tüketiminin de son yıllarda yaklaşık 700 grama ulaştığını göstermektedir. Kahve tüketiminin giderek artması, beraberinde telvelerinin de büyük bir potansiyel oluşturduğu ve değerlendirilmesi gerektiği gerçeğini gündeme getirmektedir. Bu nedenledir ki bu çalışma kapsamında; atık sulardan bakır iyonlarının giderilmesi amacıyla Starbucks® şubelerinden temin edilen espresso ve filtre kahve telveleri ile Kurukahveci Mehmet Efendi Mahdumları’ndan alınan Türk kahvesine ait telveler hiçbir ön işleme tabi tutulmadan kullanılmıştır. Buna karşılık, literatürde kahve telvesi ile ilgili adsorpsiyon çalışmalarında bazı araştırmacıların telveleri yoğun bir ön işleme tabi tuttuğu ve aktiflik özelliklerini iyileştirmeye çalıştığı, bazı araştırmacıların ise model telveleri kendi hazırladıkları belirli konsantrasyonlarda metal iyonu içeren sularda adsorban olarak test ettikleri gözlenmiştir. Örneğin, Utomo & Hunter (2006) atık sulardaki bakır, çinko, kadmiyum ve kurşun iyonlarını adsorplamak için sıcak suya daldırıp çıkarttıkları daha sonra da saf suyla yıkayıp 6 saat süresince kuruttukları çay posalarını ve kahve telvelerini adsorban olarak kullanmışlardır [11]. Sonuçta da adsorpsiyon yeteneğinin pH ve toplam metal iyonu konsantrasyonu ile ilgili olduğunu, bakır iyonu hariç pH<4 için azaldığını ve pH>10 için arttığını tespit etmişlerdir. Kahve telveleri ile ilgili sonuçlar, ümit verici olup araştırmacılara göre telveler kullanılmadan önce mutlaka kavrulmalıdır. Aynı araştırmacılar bir başka çalışmalarında [12] orijinal kahve telvelerini 30 g kahve/800 mL çözelti içerecek şekilde

3. Sonuçlar VE Yorum

Abdel-Jabbar ve Al-Asheh (2009) tarafından deneysel tasarıma dayalı olarak gerçekleştirilen bir çalışmada; yumurta kabuğu ve Ottawa kumundan oluşan bir karışım benzer bir adsorpsiyon kolonunda adsorban olarak kullanılmış ve atık suyun kolondan çıkış süresi adsorpsiyonun başarısı olarak tanımlanmıştır [4]. Bu çalışma kapsamında ise adsorpsiyonun başarısı kolondan ayrılan atık su numunesindeki bakır konsantrasyon değerleri açısından tanımlanmıştır. Literatürden farklı olarak, 5 farklı kahve telvesinin adsorban olarak değerlendirildiği bu çalışmada, telveler temin edildiği şekli ile %60-65 oranındaki nem içerikleri ile birlikte kullanılmıştır (Çizelge 4). Sonuçta, kolondan çıkış süresi 2-30 dak. arasında değişse dahi bunun adsorplama yeteneği üzerinde birebir etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Çizelge 4. Kullanılan kahve telvelerinin nem yüzdeleri ve yüzey alanları Kahve telvesi çeşidi

Guo ve ark. (2003) ise yaptıkları araştırma sonunda adsorpsiyonun daima yüzey alanının artışı ile artmadığını, fiziksel yapının yanı sıra adsorpsiyon kapasitesinin yüzeyin kimyasal yapısı tarafından da etkilenebildiğini göstermişlerdir [14]. Bu çalışmada da benzer sonuçlara ulaşılmış olup Çizelge 4’de görüldüğü gibi kahve telveleri çok küçük bir yüzey alanına sahip olduğu halde adsorpsiyon kapasitesinin yüksek olduğu tespit edilmiştir. Deneysel veriler istatistiksel olarak, F-testi ve p-korelasyon katsayısı kullanılarak da analiz edilmiş ve metal giderim verimine etki eden en önemli proses parametresi belirlenmiştir. İkinci dereceden tam polinomal yaklaşımdan yola çıkılarak elde edilen model denklem

Removal of Copper from Industrial Wastewater Using … y  71.1  2.89x1  17.89x2  2.65x12  2.68x22

şeklindedir ve en önemli parametrenin adsorban miktarı (17.89) olduğuna ama adsorban miktarının arttırılması halinde (-2.68) bakır konsantrasyonunun azalacağına işaret etmektedir. Optimum nokta x1=-1.41 ve x2=1.41 olup bu atık sudaki bakır içeriğinin sıfırlanacağının da bir göstergesidir. Elde edilen deneysel veriler Statistica 8.0 (StatSoft, Inc.) paket programı kullanılarak 3D grafiğe geçirilmiş olup (Şekil 5) kahve telvesi cinsinin ve adsorban miktarının adsorplama yeteneği üzerindeki etkisini görsel olarak ifade etmekte kullanılmıştır. Grafik gösteriminde yeşil renkle taralı alan, atık su içerisindeki bakır konsantrasyonunda sağlanan azalmaya işaret ettiği için bu çalışma aralığı ve düzeni içerisinde kahve telvesinin cinsi ne olursa olsun adsorban miktarının 30 mL atık su örneği için 35 gramdan fazla olması gerektiğini göstermektedir. Dolayısıyla görsel ifade, matematiksel yaklaşım ile uyum içerisindedir. Koyu yeşil bölge ise optimum noktayı ifade etmektedir. Sonuç olarak söylemek gerekirse, kahve telvelerinin orijinal olarak kullanımıyla hem atık suyun giderilmesi kısa sürede sağlanmış hem de adsorbanın aktivitesini arttıracak ısıl ya da kimyasal ön işlemler uygulanmadığı için zaman, kimyasal ve emek sarfiyatından tasarruf edilmiştir.

Şekil 5. Kahve telvesi cinsinin ve adsorban miktarının adsorplama yeteneği üzerine etkisi

REFERENCES / KAYNAKLAR [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği, 31/12/2004 tarih ve 25687 sayılı Resmi Gazete (Çevre ve Orman Bakanlığı). TÜİK Haber Bülteni, Belediye Atıksu İstatistikleri: 2010, sayı 10752, 23/02/2012. İnsani Tüketim Amaçlı Sular Hakkında Yönetmelik, 17/02/2005 tarih ve 25730 sayılı Resmi Gazete (Sağlık Bakanlığı). Abdel-Jabbar N., Al-Asheh S., “Factorial Design for the Analysis of Packed-bed Sorption of Copper using Eggshell as a Biosorbent”, Journal of Environmental Protection Science, 3, 133-139, 2009. Lavecchia R., Pugliese A., Zuorro A., “Removal of Lead from Aqueous Solutions by Spent Tea Leaves”, Chemical Engineering Transactions, 19, 73-78, 2010. Rajendran A., Mansiya C., “Extraction of Chromium from Tannery Effluents Using Waste Egg Shell Material as an Adsorbent”, British Journal of Environment & Climate Change, 1(2), 44-52, 2011. Nakamura T., Tokimoto T., Tamura T., et.al., “Decolorization of Acidic Dye by Charcoal from Coffee Grounds”, Journal of Health Science, 49(6), 520-523, 2003. Kumar A., Prasad B., Mishra I.M., “Adsorptive Removal of Acrylonitrile using Powered Activated Carbon”, Journal of Environmental Protection Science, 2, 54-62, 2008. Wasewar K.L., Kumar S., Prasad B., Adsorption of Tin using Granular Activated Carbon, Journal of Environmental Protection Science, 3, 41-52, 2009. Amuda O.S., Ibrahim A.O., “Industrial Wastewater Treatment using Natural Material as Adsorbent”, African Journal of Biotechnology, 5 (16), 1483-1487, 2006. Utomo H.D., Hunter, K.A., “Adsorption of Divalent Copper, Zinc, Cadmium and Lead Ions from Aqueous Solution by Waste Tea and Coffee Adsorbents”, Environmental Technology, 27, 25-32, 2006. Utomo H.D., Hunter K.A., “Adsorption of Heavy Metals by Exhausted Coffee Grounds as a Potential Preatment Method for Waste Waters”, J. Surf. Sci. Nanotech., 4, 504-506, 2006. Macch G., Marani D., Tiravanti G., “Uptake of Mercury by Exhausted Coffee Grounds”, Environmental Technology, 7 (1), 431-444, 1986. Guo Y., Yang S., Fu W., et.al., Adsorption of malachite gren on micro- and mesoporous rice husk-based active carbon, Dyes Pigments 56, 219-229, 2003.

Share and Cite