Investigation of the adsorption behavior of cesium, barium and phenol onto modified humic acid and iron nanoparticles
Sezyum, baryum ve fenolün yapısı değiştirilmiş hümik asit ve demir nanoparçacıkların üzerine tutunmasının incelenmesi
- Tez No: 199480
- Danışmanlar: PROF. DR. HASAN NİYAZİ ERTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Nükleer Mühendislik, Çevre Mühendisliği, Chemistry, Nuclear Engineering, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyon, İzotermler, Modifiye Edilmiş Hümik asit, Termodinamik Sabitler, Fenol, Kinetik Çalışmalar, Dağılım Oranı, Radyoaktifİzleme Metodu, Sezyum, Baryum, Tekne Tekniği, Karakterizasyon, DemirNanoparçacıklar, UV-VIS Spektroskopi, Adsorption, Isotherms, Modified Humic Acid, ThermodynamicConstants, Phenol, Kinetic Studies, Distribution Ratio, Radioactive Tracer Method, Cesium, Barium, Batch Method, Characterization, Iron Nanoparticles, UV-VISspectroscopy
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Yüksek çözünürlüğe sahip olan radyoaktif maddelerin sıvı ortamlardankatı ortamlara aktarılarak depolarda tutulması yönünde çok miktarda çalışmayapılmaktadır. Bu sayede yüksek hacme sahip sıvı ortamlardaki radyoaktifmaddelerin katı ortama aktarılması amaçlanmaktadır. Bu tür maddelerin çevreseluygulamalarda kullanılmasının yanı sıra bilim ve sanayide yararlı maddelerin137üretilmesinde kullanılabilir. Cs izotopunun dezenfeksiyon ve radyoterapi gibimedikal uygulamalarda γ kaynağı olarak kullanıldığı bilinmektedir. Benzer şekilde137Cs izotopu gıda endüstrisinde sterilizasyon kaynağı olarak yararlı bir madde137olduğu kanıtlanmıştır. Cs radyoizotopu radyoaktif bölünme sonucu yüksekverimde üretilir, uzun bir yarılanma süresi (30.17 yıl) ve yüksek çözünürlüğe sahipolduğu için radyoaktif atıklarda bulunan başlıca maddedir. Baryum bir toprak alkali140elementi olup radyoaktif izotopu olan Ba (T1/2 = 12.79 gün) yüksek oranda(6.21%) açığa çıkan bir radyoaktif bölünme ürünüdür.Fenolik maddeler içeren atık sular ciddi bir çevre problemioluşturmaktadırlar. Fenolik maddeler boya, çözücü, petrokimya, kömür vb.sanayilerinden çevreye bırakılmaktadırlar ve kanserojen madde olarakbilinmektedirler. İnsanlar tarafından bir gramdan fazla alındığı durumlarda ölümcületki yapmaktadırlar. Sıvı bölgelerde yaşayan organizmalar fenolik maddelere maruzkalmalarından ötürü olumsuz yönde etkilenmektedirler.Toprağın en önemli organik maddesi olan hümik asit, doğal çevrede bulunanorganik kalıntıların kimyasal ve fiziksel olarak parçalanmasıyla oluşturulankimyasal ve fiziksel yönden heterojen bir maddedir. Hümik asitin toprakkimyasında metal iyonlarını ve organik maddeleri tutma, bitkilere mineral taşıma vetoksik maddeleri biyolojik olarak dönüştürmek gibi pek çok fonksiyonu vardır.Demir nanoparçacık teknolojisi artan bir hızla çevre ve zararlı atık uygulamalarındakullanılmaktadır. Önemli bir avantajı ise toprağın alt kısımlarında kalan kirlibölgeye enjeksiyon yöntemiyle rahatlıkla ulaştırılabilmesidir.Bu çalışma radyoaktif ve fenolik atıkların sıvı ortam içeren çevrelerdenuzaklaştırılması yönünde alternatif ve verimli bir yol bulmak için yapılmıştır.Yapısı değiştirilmiş hümik asitler ( çözünmez hale getirilmiş hümik asitin sodyumformu ve yüzey aktif maddelerle değiştirilmiş hümik asit ) ve demir nanoparçacıklartutucu maddeler olarak kullanılmıştır. Radyoaktif izleme metodu ve UV-VISspektroskopi tekniği kullanılarak sezyum, baryum iyonları ve fenolün değiştirilmişhümik asitler ve demir nanoparçaklar üzerine tutunma davranışları incelenmiştir.13Hümik asit ve değiştirilmiş yapılarının karakterizasyonu FTIR, katı hal CNMR spektroskopi teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Hümik asit üzerindetutunmadan sorumlu olan karboksilik ve fenolik gruplar potansiyometrik titrasyonmetodu kullanarak miktarsal olarak tayin edilmiştir. Demir nanoparçacıkörneklerini karakterize etmek için SEM ve PXRD teknikleri kullanılmıştır.Zaman, konsantrasyon ve sıcaklığın, katyonların ve fenolün hümik asitindeğiştirilmiş yapıları ve demir nanoparçacıklar üzerine tutunması üzerine etkisiniincelemek için, farklı sıcaklıklarda tutunma çalışmaları ve kinetik çalışmalaryapıldı. Sezyum ve baryum tutunma verilerinin Freundlich ve Dubinin-Radushkevich modellerine, fenol tutunma verilerinin ise Freundlich ve Tempkinmodellerine en iyi uyduğu bulunmuştur. Katyon ve tutucu madde tutunma sırasıbaryum-çözünmez hale getirilmiş hümik asit > sezyum-çözünmez hale getirilmişhümik asit > baryum-demir nanoparçacıklar şeklindedir. Kinetik çalışmalar her ikikatyonun ve fenolün tutunma davranışlarının psödo ikinci derece hız yasasınauyduğunu göstermiştir. Hız sabiti değerleri tutunma sırasıyla ters orantılıdır. Katyontutucu maddelere tutunma hızı baryum-demir nanoparçacıklar > sezyum-çözünmezhale getirilmiş hümik asit > baryum-çözünmez hale getirilmiş hümik asit sırasınıtakip etmektedir. Fenolün yüzey aktif maddelerle yapısı değiştirilmiş hümik asitüzerine tutunmasının dengeye ulaşma zamanının katyonların çözünmez halegetirilmiş hümik asit üzerine tutunmasının dengeye ulaşma zamanından çok dahafazla olduğu bulunmuştur.Adsorpsiyon entalpi değişimi, ÎHº, entropi değişimi, ÎSº ve Gibbs serbestenerji değişimi, ÎGº gibi termodinamik değerler farklı sıcaklıklarda elde edilentutunma verilerinden elde edilen sonuçlar kullanılarak hesaplanmıştır. ÎHº ve ÎSºiçin elde edilen değerler sezyum iyonlarının çözünmez hale getirilmiş hümik asitüzerine tutunması için 3.673 kJ/mol, 48.85 J/mol.K, baryum iyonlarının çözünmezhale getirilmiş hümik asit üzerine tutunması için 2.102 kJ/mol, 89.522 J/mol.K vebaryum iyonlarının demir nanoparçacıklar üzerine tutunması için -38.5 kJ/mol, -73.98 J/mol.K olarak bulunmuştur. Sıcaklık değişimlerinin, sezyum ve baryumiyonlarının çözünmez hale getirilmiş hümik asit üzerine tutunma eğiliminde çokfazla etki yapmadığı bulunmuştur. Baryum iyonlarının demir nanoparçacıklarüzerine tutunma davranışları ekzotermiktir ve düşük sıcaklıklarda daha fazla katyontutulduğunu göstermektedir.Farklı sıcaklıklarda yapılan çalışmalar sonucu elde edilen sonuçlarıkullanarak yapılan hesaplamalarda bulunan negatif Gibbs serbest enerji değişimi,ÎGº, değerleri bütün adsorpsiyon süreçlerinin kendiliğinden oluştuğunugöstermektedir. Hesaplanan ÎGº değerlerinin tümü, 8-16 kJ/mol değerleri arasındabulunmaktadır. Bu düzeydeki enerjiler, adsorpsiyonun daha çok iyon değişimiyoluyla meydana geldiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
There is an increasing effort for removing highly solubleradiocontaminants from aqueous waste streams by fixing them onto solid wasteforms that can be disposed of in a repository. In this way, the high-volume aqueousstreams are transformed from a high-level radioactive waste into a low-levelradioactive waste that is much cheaper to treat. However, the removal of thisspecies may not only serve environmental initiatives, but it may also serve as ameans of producing useful materials for use in science and industry. It is known, for137example, that Cs is an excellent γ source for medical applications such as137instrument disinfection and radiotherapy. Similarly, Cs has also proven to be137useful as source for sterilization in the food industry. The radionuclide Cs isproduced in high yield during the fission process and due to its long half-life (T1/2 =30.17 y) and its high solubility in aqueous media, it is a principal radiocontaminantin radioactive wastes. Barium is an alkaline earth element (Z = 56), its radioactiveisotope 140Ba (T1/2 = 12.79 d) is a fission product with a high yield (6.21%).Wastewaters containing phenolic compounds present a seriousenvironmental problem. Phenolic compounds are present in the wastewatergenerated from paint, solvent, petroleum (petrochemical), coal conversion etc.industries. Phenolic substances are known carcinogenic substances, doses over 1 gcan be fatal for humans. Living organisms in aquatic environments are negativelyeffected by the uptake of phenolic subtances.Humic acid , which is the most important organic component of soil, is achemically and physically heterogeneous substance which is formed by chemicaland biological degradation of organic residues in natural environment. Humic acidhas many functions in soil chemistry such as adsorbing metal ions and organicsubstances, mineralization of plants and conversion of toxic substances biologically.Iron nanoparticle technology is increasingly being used in environmentalremediation and hazardous waste treatment. One important advantage of nano-sizedFe0 used in conventional permeable reactive barriers is that nanoparticles may bedelivered to deep contamination zones by injection.This study was conducted to find an alternative and efficient way forremoving radioactive and phenolic wastes from aquatic environments. Modifiedhumic acids (sodium form of insolubilized humic acid (INaA) and surfactantmodified insolubilized humic acid (SMIA) ) and iron nanoparticles were used assorbent materials.In this study, radioactive tracer method and UV-VIS spectroscopictechnique were used to examine the sorption behavior of Cs+, Ba2+ ions and phenolonto modified humic acids and iron nanoparticles. Characterization studies of13humic acid and its modified forms were carried out using FTIR, solid state CNMR spectroscopy techniques and adsorption sites (carboxylic and phenolicgroups) of humic acid were quantitatively determined by potantiometric titration.SEM and PXRD techniques were used to characterize iron nanoparticle samples.Sorption studies at different temperatures and kinetic studies were carriedout to examine the effects of time, concentration, and temperature on the sorption ofcations and phenol onto the various forms of humic acid and iron nanoparticles. Allcation sorption processes are well described by both Freundlich and Dubinin-Radushkevich type isotherms. Phenol sorption data was well fitted to Freundlichand Tempkin isotherms when surfactant modified humic acid was used as a sorbent.The sorption order with cation sorbent pair is barium-INaA > cesium-INaA >barium- iron nanoparticles. Kinetic studies indicated that adsorption behaviors ofboth cations and phenol obey pseudo second order rate law. The rate constantvalues of the three sorption cases studied have an inverse relationship with sorptionaffinity. The order for the rate of sorption with cation-sorbent pairs is as thefollowing; barium-iron nanoparticles > cesium-INaA > barium-INaA. Theequilibrium time for phenol sorption onto surfactant modified insolubilized humicacid was much longer than the equilibrium time for cations.Thermodynamic parameters such as enthalpy change, ÎHº , entropy change,ÎSº and free energy of adsorption, ÎGº, were calculated from the sorption data ofCs+ and Ba2+ ions at different temperatures. The values obtained for ÎHº and ÎSºwere -3.673 kJ/mol, 48.85 J/mol.K, 2.102 kJ/mol, 89.522 J/mol.K and -38.5 kJ/mol,-73.98 J/mol.K for cesium-INaA, barium-INaA and barium-iron nanoparticles ion-sorbent pairs, respectively. Temperature changes did not siginificanly affect thesorption affinity of Cs+ and Ba2+ ions onto INaA. Ba2+ ion sorption onto ironnanoparticles is an exothermic process which means that low temperatures arefavored.The calculated negative values of ÎGº obtained at different temperaturesindicate the spontaneity of all adsorption processes studied. All adsorption meanfree energy values are found to be within 8-16 kj/mol range which is the energyrange of ion-exchange type processes.
Benzer Tezler
- Sıvı nükleer atıklardan baryum ve stronsiyumun uzaklaştırılmasında hidrate seryum dioksitin kullanılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of hydrated cerium dioxide utilization for the removal of barium and strontium from liquid nuclear waste
EMİNE NOSTAR
- Atık saklama alanlarında sezyumun geçirgen reaktif bariyer (GRB) sistemi ile arıtımının incelenmesi
Investigation of the treatment of cesium in waste storage areas with the permeable reactive barrier (PRB) system
ZEYNEB CAMTAKAN
Doktora
Türkçe
2021
KimyaEge ÜniversitesiNükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞULE AYTAŞ
PROF. DR. SEVİLAY HACIYAKUPOĞLU
- Eşboyutlu ve poli (akrilat) bazlı biyosorbentlerin üretimi ve karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
ESMA VOLGA BULMUŞ
- TBP emdirilmiş amberlite xad-2 reçinede toryum, seryum ve lantanın sorpsiyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of sorption behaviours of thorium, cerium and lanthanum on TBP impregnated amberlite xad-2 resin
ÜMİT EMRE KARTAL
- Investigation of the enrichment of rare earth ore in Eskişehir-Beylikova region by flotation
Eskişehir-Beylikova bölgesindeki nadir toprak cevherinin flotasyon ile zenginleştirilmesinin araştırılması
KARINA PATRICIA MOYA LASCANO
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERGİN GÜLCAN