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

Year 2020, Volume: 23 Issue: 4, 941 - 954, 01.12.2020

Adife Şeyda Yargıç

https://doi.org/10.2339/politeknik.563697

Cited By: 1

Abstract

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.

Keywords

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

Abstract

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.

Keywords

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

References

• [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] Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü. Toprak Su Kaynakları. http://www.dsi.gov.tr/toprak-ve-su-kaynaklari. Erişim Tarihi Haziran 6, 2018.
• [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] 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] 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] 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] 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] Yücel E.,” Ağaçlar ve Çalılar-1”, Türmatsan, Eskişehir, Türkiye, 194-197, (2005).
• [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] Sharma A., Bhattacharyya K.G. “Adsorption of chromium(VI) on Azadirachta Indica (neem) leaf powder”, Adsorption, 10: 327-338, 2005.
• [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] Okur M., “Tekstil Atıksularındaki Metal Kompleks Boyarmaddelerin Yumurta Kabukları ile Giderimi”, J. Fac. Eng. Archit. Gaz., 28(4): 777-785, (2013).
• [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] 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] 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] 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] 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] Yargıç, A.Ş., “Karbon köpük üretimi ve karakterizasyonu”, Doktora Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi-Anadolu Üniversitesi Ortak Protokol, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2017).
• [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] 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] 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] 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] 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] 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] Foo K.Y. and Hameed B.H., “Insights into the modeling of adsorption isotherm systems”, Chem. Eng. J., 156(1): 2-10, (2010).
• [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] 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).