Adsorbat

Adsorbat, bir adsorpsiyon sürecinde adsorban malzemenin yüzeyine tutunan maddeyi ifade eder. Bu madde sıvı, gaz veya çözünmüş katı fazda bulunabilir ve moleküller, atomlar veya iyonlar şeklinde adsorban yüzeyinde birikir. Adsorbat, adsorpsiyonun hedef kontaminantı veya istenen bileşeni olup, su arıtma bağlamında genellikle giderilmek istenen kirleticiler (organik maddeler, ağır metaller, boyar maddeler vb.) olarak rol alır.

Ayrıntılı Açıklama

Adsorpsiyon, adsorbatın adsorban yüzeyiyle fiziksel (van der Waals kuvvetleri, hidrojen bağları) veya kimyasal (kovalent veya iyonik bağlar) etkileşimlerle tutunmasıdır. Adsorbat terimi, adsorbentin (yüzeyde tutunan) karşıtı olarak kullanılır; adsorbat tutunan maddedir, adsorban ise tutan katı malzemedir.

Adsorbatlar sınıflandırılabilir:

Moleküler adsorbatlar: Organik bileşikler (fenol, pestisitler, VOC’ler, farmasötikler).
İyonik adsorbatlar: Anyonlar (florür, arsenat, nitrat, fosfat) veya katyonlar (ağır metaller: Pb²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺).
Gaz adsorbatlar: CO₂, H₂S, NH₃ (hava arıtımında daha yaygın).

Adsorbat-adsorban etkileşimi şu mekanizmalarla gerçekleşir:

Fiziksel adsorpsiyon (fizisorpsiyon): Zayıf van der Waals kuvvetleri; çok katmanlı, reversibl, düşük sıcaklıkta tercih edilir.
Kimyasal adsorpsiyon (kemisorpsiyon): Kimyasal bağ oluşumu; tek katmanlı, irreversibl veya zor reversibl, yüksek aktivasyon enerjisi gerektirir.
Ligand değişimi: Özellikle anyonik adsorbatlar için (florür aktif alümina üzerinde).
Elektrostatik çekim: Zıt yüklü iyonlar arasında (katyonik metaller anyonik reçinelerde).

Adsorbatın davranışını etkileyen faktörler:

Moleküler boyut ve şekil: Gözenek çapından küçük adsorbatlar mikro gözeneklere girer.
Hidrofobiklik: Organik adsorbatlar hidrofobik yüzeylerde (aktif karbon) daha iyi tutunur.
Çözünürlük ve iyonik yük: Düşük çözünürlüklü maddeler daha kolay adsorbe olur.
pH: Adsorbatın iyonizasyon durumunu değiştirir (örneğin arsenik As(III) nötr, As(V) anyonik).
Rekabet: Çok bileşenli sistemlerde diğer adsorbatlar kapasiteyi azaltır.

Adsorpsiyon dengesi izoterm modelleriyle tanımlanır:

Langmuir: Tek katman, homojen yüzey: $$ q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e} $$
Freundlich: Çok katman, heterojen yüzey: $$ q_e = K_F C_e^{1/n} $$
BET: Çok katmanlı gaz adsorpsiyonu için yüzey alanı hesaplaması.

Su arıtma kinetiği genellikle gözenek diffüzyonu ve film diffüzyonu ile sınırlıdır. Adsorbat konsantrasyonu düştükçe kütle transfer direnci artar.

Uygulamalar

Organik adsorbatlar: Aktif karbon ile TOC, pestisit, PFAS, farmasötik kalıntılar, renk ve koku giderimi.
İnorganik anyonik adsorbatlar: Aktif alümina veya demir hidroksit ile florür, arsenik, selenyum, fosfat giderimi.
Ağır metal katyonları: Anyon değiştirici reçine veya modifiye kil ile Pb, Cd, Cr giderimi.
Gaz faz adsorbatlar: Aktif karbon ile VOC, H₂S giderimi (endüstriyel atıksu kokusu kontrolü).
Selektif adsorpsiyon: Moleküler baskılanmış polimerler (MIP) ile spesifik adsorbat (örneğin östrojenler) hedefleme.
Atıksu tertiary arıtımı: Refrakter organik adsorbatların (boya, fenol) giderimi.
İçme suyu polishing: Mikro kontaminant adsorbatların son aşama giderimi.

Avantajlar ve Dezavantajlar

Avantajlar (Adsorbat Giderimi Bağlamında)

Yüksek selektivite ile hedef adsorbatları etkili giderir.
Düşük konsantrasyonlarda (<1 µg/L) bile çalışır.
Kimyasal ilave gerektirmez, yan ürün oluşumu minimum.
Çeşitli adsorbat tiplerine uyarlanabilir adsorbanlar mevcuttur.
Rejenerasyon mümkün olduğunda sürdürülebilir.

Dezavantajlar

Rekabet eden adsorbatlar kapasiteyi azaltır (örneğin NOM arsenik adsorpsiyonunu engeller).
Doygunluk sonrası adsorban değiştirme/rejenerasyon maliyeti yüksek.
Hidrofobik adsorbatlar öncelikli tutularak hidrofilik olanlar zayıf giderilir.
pH, sıcaklık ve iyonik güce hassasiyet.
Rejenerasyon atıkları (yüksek konsantrasyonlu adsorbat içeren çözelti) tehlikeli atık olabilir.
Adsorbatın desorpsiyon riski (şok yüklerde breakthrough).

Referanslar

[1] Crittenden, J.C. et al. “Water Treatment: Principles and Design”, 3rd Edition, Wiley, 2012.
[2] Mohan, D., Pittman, C.U. “Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents—A critical review”. Journal of Hazardous Materials, 142(1-2), 1-53, 2007. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389407000349
[3] Sontheimer, H., Crittenden, J.C., Summers, R.S. “Activated Carbon for Water Treatment”, 2nd Edition, DVGW-Forschungsstelle, 1988.
[4] EPA. “Adsorption Techniques in Drinking Water Treatment”, 2020.