Evaluation of Poplar Tree Based Sorbents in Dye Uptake via 25 Full Factorial Experimental Design and Statistical Analysis of %Removal Efficiency

Öz

Due to the development of the textile sector, the increase in the concentration of dyestuffs in the wastewater poses a critical threat to the environment. In addition, as a result of increasing environmental awareness and supporting sustainable life, studies on the design of new removal processes and optimization of working conditions gain importance. The aim of the study is to examine the evaluability of wood bark which is forest/industrial waste as a sorbent and to optimize the working conditions. In this context, poplar tree bark was selected as raw material and it was activated with two different agents (KOH and K₂CO₃) after carbonization. Experimental sets were arranged by using 2⁵ full factorial experimental design model and variance analysis was performed by using the %removal efficiency values ​​obtained from the sorption process. The relationship of five parameters, namely solution pH, dye concentration, contact time, sorbent dosage and temperature, were investigated and it was concluded that the most effective parameter was pH in 95% confidence level for all sorbents. In the experiments conducted with poplar bark, it was observed that binary interactions were also effective. The highest %removal efficiency value (95.6%) was achieved when KOH-activated sorbent was used. According to the isotherm and kinetic models, it was determined that sorption was performed by physicochemical interactions on a monolayer homogeneous surface. Consequently, wastewater containing dyestuffs can be treated at low cost with the design of environmental-friendly and high-efficiency process via the evaluation of forestry/industrial wastes.

Anahtar Kelimeler

• Dye removal,factorial experimental design,carbonaceous sorbents,poplar tree bark,analysis of variance

Kavak Ağacı Kabuğu Esaslı Sorbentlerin 25 Tam Faktöriyel Deney Tasarımı Kullanılarak Boyarmadde Gideriminde Değerlendirilmesi ve %Giderim Etkinliğinin İstatistiksel Analizi

Öz

Tekstil sektörünün gelişimine bağlı olarak atıksularda bulunan boyarmadde konsantrasyonunun artması çevre kirliliği açısından ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Bunun yanı sıra, çevre bilincinin artması ve sürdürülebilir yaşamın desteklenmesi sonucunda yeni giderim süreçlerinin tasarımı ve çalışma koşullarının optimizasyonu ile ilgili çalışmalar önem kazanmaktadır. Yapılan çalışmanın amacı, ormansal/endüstriyel atık olan ağaç kabuğunun sorbent olarak değerlendirilebilirliğinin incelenmesi ve çalışma koşullarının optimize edilmesidir. Bu kapsamda, kavak ağacı kabuğu hammadde olarak seçilmiş ve karbonize edildikten sonra iki farklı ajanla (KOH ve K₂CO₃) aktive edilmiştir. 2⁵ tam faktöriyel deney tasarımı modeli kullanılarak deney setleri oluşturulmuş ve sorpsiyon işlemi sonucu elde edilen %giderim etkinliği değerleri kullanılarak varyans analizi gerçekleştirilmiştir. Çözelti pH’ı, boyarmadde konsantrasyonu, temas süresi, sorbent miktarı ve sıcaklık olmak üzere beş parametrenin birbiri ile ilişkisi incelenmiş ve bütün sorbentler için en etkili parametrenin %95 güven aralığında pH olduğu sonucuna varılmıştır. Kavak ağacı kabuğu ile yapılan deneylerde ikili etkileşimlerin de etkili olduğu görülmüştür. En yüksek %giderim etkinliği değerine (%95,6 ) ise KOH ile aktive edilen sorbent kullanıldığında ulaşılmıştır. İzoterm ve kinetik modellere göre, sorpsiyonun tek tabakalı homojen yüzey üzerinde fizikokimyasal etkileşimler ile gerçekleştiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, ormansal/endüstriyel atıkların değerlendirildiği çevre dostu ve giderim etkinliği yüksek süreçlerin tasarımı ile boyarmadde içeren atıksular düşük maliyetle iyileştirilebilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Boyarmadde giderimi,faktöriyel deney tasarımı,karbonlu sorbentler,kavak ağacı kabuğu,varyans analizi

Kaynakça

1. [1] Eren Y., “Bölüm-4 Biyolojik Çeşitlilik ve Türkiye’deki Durum”, Çevre ve Enerji, Editör: Aydın Kocaeren A., Nobel Akademik Yayıncılık, Ankara, Türkiye, 61-70, (2016).
2. [2] Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü. Toprak Su Kaynakları. http://www.dsi.gov.tr/toprak-ve-su-kaynaklari. Erişim Tarihi Haziran 6, 2018.
3. [3] Japan Display Inc. Group. Environmental Report 2013: A clean earth for the next generation. https://www.j-display.com/english/Environment/report_backnumber.html#2013. Erişim Tarihi Şubat 20, 2019.
4. [4] Özbakır S.N., “Birleşmiş Milletler Binyıl Kalkınma Hedefleri ve 2030 Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri-Hedef 6:Temiz Su ve Sıhhi Koşullar”, Pusula Dergisi, 1-21, (2016).
5. [5] Kroiss H., “Experimental methods in wastewater treatment”, Editör: van Loosdrecht M.C., Nielsen P.H., Lopez-Vazquez C.M. and Brdjanovic D., IWA Publishing, London, UK, (2016).
6. [6] Elfarash A., Mawad A.M., Yousef N.M. and Shoreit, A.A., “Azoreductase kinetics and gene expression in the synthetic dyes-degrading Pseudomonas”, Egyptian J. Basic Appl. Sci., 4(4): 315-322, (2017).
7. [7] Garg V.K., Gupta R., Yadav A.B. and Kumar R., “Dye removal from aqueous solution by adsorption on treated sawdust”, Bioresource Technol., 89(2): 121-124, (2003).
8. [8] Yücel E.,” Ağaçlar ve Çalılar-1”, Türmatsan, Eskişehir, Türkiye, 194-197, (2005).

9. [9] Ozbay N. and Yargic A.S., “Statistical analysis of Cu (II) and Co (II) sorption by apple pulp carbon using factorial design approach”, J. Ind. Eng. Chem., 57: 275-283, (2018).
10. [10] Sharma A., Bhattacharyya K.G. “Adsorption of chromium(VI) on Azadirachta Indica (neem) leaf powder”, Adsorption, 10: 327-338, 2005.
11. [11] Ozbay N. and Yargic A.S., “Factorial experimental design for Remazol Yellow dye sorption using apple pulp/apple pulp carbon–titanium dioxide co-sorbent”, J. Clean. Prod., 100: 333-343, (2015).
12. [12] Okur M., “Tekstil Atıksularındaki Metal Kompleks Boyarmaddelerin Yumurta Kabukları ile Giderimi”, J. Fac. Eng. Archit. Gaz., 28(4): 777-785, (2013).
13. [13] Gupta N., Kushwaha A.K. and Chattopadhyaya M.C., “Adsorptive removal of Pb2+, Co2+ and Ni2+ by hydroxyapatite/chitosan composite from aqueous solution”, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 43(1): 125-131, (2012).
14. [14] Brasil J.L., Ev R.R., Milcharek C.D., Martins L.C., Pavan F.A., Dos Santos A.A., Dias S.L.P., Dupont J., Noreña C.P.Z and Lima E.C., “Statistical design of experiments as a tool for optimizing the batch conditions to Cr(VI) biosorption on Araucaria angustifolia wastes”, J. Hazard. Mater., 133(1): 143-153, (2006).
15. [15] Saadat S. and Karimi-Jashni A., “Optimization of Pb(II) adsorption onto modified walnut shells using factorial design and simplex methodologies”, Chem. Eng. J., 173(3): 743-749, (2011).
16. [16] Pavan F.A., Gushikem Y., Mazzocato A.C., Dias S.L.P. and Lima E.C., “Statistical design of experiments as a tool for optimizing the batch conditions to methylene blue biosorption on yellow passion fruit and mandarin peels”, Dyes Pigments, 72(2): 256-266, (2007).
17. [17] Zhong Z.Y., Yang Q., Li X.M., Luo K., Liu Y. and Zeng G.M., “Preparation of peanut hull-based activated carbon by microwave-induced phosphoric acid activation and its application in Remazol Brilliant Blue R adsorption”, Ind. Crop. Prod., 37(1): 178-185, (2012).
18. [18] Yargıç, A.Ş., “Karbon köpük üretimi ve karakterizasyonu”, Doktora Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi-Anadolu Üniversitesi Ortak Protokol, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2017).
19. [19] Safa Y. and Bhatti H.N., “Biosorption of direct red-31 and direct orange-26 dyes by rice husk: application of factorial design analysis”, Chem. Eng. Res. Des., 89: 2566-2574, (2011).
20. [20] Gottipati R. and Mishra S., “Process optimization of adsorption of Cr (VI) on activated carbons prepared from plant precursors by a two-level full factorial design”, Chem. Eng. J., 160(1): 99-107, (2010).
21. [21] Rathinam A., Rao J.R. and Nair, B.U., “Adsorption of phenol onto activated carbon from seaweed: Determination of the optimal experimental parameters using factorial design”, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 42: 952-956, (2011).
22. [22] Kaouah F., Boumaza S., Berrama T., Trari M. and Bendjama Z., “Preparation and characterization of activated carbon from wild olive cores (oleaster) by H3PO4 for the removal of Basic Red 46”, J. Clean. Prod., 54: 296-306, (2013).
23. [23] Robati D., “Pseudo-second-order kinetic equations for modeling adsorption systems for removal of lead ions using multi-walled carbon nanotube”, J. Nanostructure Chem., 3(1): 55, (2013).
24. [24] Ramachandran P., Vairamuthu R. and Ponnusamy, S., “Adsorption isotherms, kinetics, thermodynamics and desorption studies of reactive Orange 16 on activated carbon derived from Ananas comosus (L.) carbon”, J. Eng. Appl. Sci., 6(11): 15-26, (2011).
25. [25] Foo K.Y. and Hameed B.H., “Insights into the modeling of adsorption isotherm systems”, Chem. Eng. J., 156(1): 2-10, (2010).
26. [26] Prasad R.K. and Srivastava S.N., “Sorption of distillery spent wash onto fly ash: Kinetics, mechanism, process design and factorial design”, J. Hazard. Mater., 161(2): 1313-1322, (2009).
27. [27] Selim A.Q., Mohamed E.A., Mobarak M., Zayed A.M., Seliem M.K. and Komarneni, S., “Cr(VI) uptake by a composite of processed diatomite with MCM-41: Isotherm, kinetic and thermodynamic studies”, Micropor. Mesopor. Mater., 260: 84-92, (2018).