Synthesis of tris(hydroxymethyl)aminomethane modified polystyrene based polymeric sorbent and removal of boron from aqueous solutions
Tris(hidroksimetil)aminometan ile modifiye edilmiş polistiren esaslı polimerik sorbentin hazırlanması ve sulu ortamdaki borun giderilmesinde kullanılması
- Tez No: 485277
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Bor, periyodik tablonun grup 13 kısmında yer alan, yüksek erime noktalı, elektrik iletkenliği düşük olan bir elementtir. B10 (%19,8) ve B11 (%80,2) olarak iki kararlı izotopu vardır. Ayrıca az değerlilik elektronlarına sahip olduğundan, metalik bağdan daha çok kovalent bağ yapmayı tercih eder. Borun yerkürede bulunma oranı %0.01 ve 100 ppm gibi düşük bir konsantrasyon olduğundan nadir elementlerden biri sayılır. Tabiatta yaklaşık 230 çeşit bor minerali vardır. Oksijenle bağ yapmaya yatkın olması sebebiyle pek çok değişik bor-oksijen bileşimi bulunmaktadır. Bor-oksijen bileşimlerinin genel adı borattır. Bu nedenle bor, saf element formunda değil; ya boraks, kolemanit, kernit, üleksit gibi mineraller halinde, ya da borasit, borik asit gibi bileşikleri halinde bulunur. Borun buna benzer metal veya ametal elementlerle yaptığı bileşiklerin gösterdiği değişik özellikler, endüstride pek çok çeşit bor bileşiğinin kullanılmasına imkan sağlamaktadır. Su kaynaklarındaki baskın formu ise, (denizler, göller, vs.) borik asittir. Borik asit pKa değeri 9.1 olan zayıf bir asit olup, 25°C'de çözünürlüğü 55 g.L-1'dir ve içme suyunda 0.1 ppm veya daha düşük konsantrasyonda bulunur. Bor tüm dünya için önemli olan ve geleceğin petrolü olarak nitelendirilebilecek bir madendir. Ülkemizin de en önemli yer altı zenginliklerinden biri belki de en önemlisi ve tek stratejik önemi olan doğal kaynaklardan birisidir. Bu nedenle maden ihraç ürünleri arasında birinci sırada yer almaktadır. Bor ve bileşiklerinin endüstride çok çeşitli kullanım alanları bulunmaktadır. İnşaat ve çimento sektöründe mukavemet arttırıcı ve izolasyon amaçlı olarak, ağartıcı ve bakterilere karşı koruyucu özelliği nedeniyle deterjan sektöründe, yumuşaklık, yapışkanlık ve dayanıklılık kazandırma özellikleri nedeniyle kozmetik sektöründe, verimi arttırması bakımından tarım sektöründe, seramiğin pişme sıcaklığını düşürmesi bakımından seramik sektörü gibi çok çeşitli endüstriyel alanlarda bor mineralinden faydalanılmaktadır.. Ayrıca bor, malzemelere küçük miktarlarda bile eklenmesi halinde iletkenlik özelliğini geliştirdiğinden yarı iletken endüstrisinde de (transistor ve diyot üretimi, vb.) kullanılmaktadır. Bor insanlar, hayvanlar ve bitkiler için de önemli bir elementtir. Az miktarlarda alındığı zaman canlı hücrelerinde işlevsel bir özelliğe sahiptir. Örneğin bitkilerin büyümesi, hücre oluşumu ve enzimatik reaksiyonlarında önemli işlevlere sahiptir. Ancak, canlıların boru yüksek konsantrasyonlarda alması halinde bıraktığı etkilerin çoğu tam olarak aydınlatılmamış olmakla birlikte, oluşturduğu tehlikeli sonuçların bazıları bilinmektedir. Örneğin gerektiğinden fazla alındığında bitkilerde yaprak kenarlarının sararmasına, fotosentez hızında düşmeye, kökteki hücrelerin bölünmesinde azalmaya, kök dokularında büyüme geriliğine; insanlarda ve hayvanlarda ise zehirlenmeye, deri döküntülerine, böbrek, karaciğer ve merkezi sinir sisteminde hasara, hücresel gelişmede yavaşlamaya ve üreme sistemi üzerinde olumsuz yan etkilere sebep olduğu söylenebilir. Sonuç olarak bor, aşırı dozda maruz kalındığında olumsuz hatta ölümcül etkilerine rağmen, canlıların yaşamsal faaliyetleri için minimum bir miktarda da mutlaka alınması gereken bir element olarak karşımıza çıkmaktadır. Endüstride kullanılan bor sebebiyle endüstriyel atıksulardaki bor konsantrasyonu yukarıda sözü edilen aşırı doz seviyesine ulaşmaktadır. Bu durumdan sularda yaşayan canlılar, sulamada kullanıldığında bitkiler ve içme suyu olarak kullanımında insanlar olumsuz etkileneceğinden, atıksulardan boru neredeyse tamamen uzaklaştırmak veya konsantrasyonunu azaltmak gerekmektedir. Sulardan ve atık sulardan bor giderimi için yapılan çalışmaların amacı borun giderilmesi ya da geri kazanılmasıdır. Diğer bir amaç ise çevre kirliliğinin önlenmesi ve bor kirliliği giderilen suların sulamada tarımsal amaçla kullanılmasının sağlanabilmesidir. Sulardan ya da atık sularından borun uzaklaştırılması zor ve karmaşık olsa da, uzun bir süreçte yapılan araştırmalar sonucunda bazı yöntemler ön plana çıkmıştır. Bu yöntemleri kimyasal çöktürme, iyon değiştirici reçineler veya/ve ters ozmos membranlarla ayırma, sıvı-sıvı ekstraksiyon, elektrodiyaliz ve adsorpsiyon olarak sıralayabiliriz. Adsorpsiyon yönteminin diğerlerine kıyasla daha basit ve ucuz bir yöntem olduğu söylenebilir. Cis- pozisyonunda hidroksil gruplar olan fonksiyonel grupları içeren şelatlayıcı reçineler, borat-diol kompleksleri oluşturarak borun uzaklaştırılmasında yüksek seçimlilik gösterirler. Adsorpsiyon, gaz veya sıvı parçacıkların katı veya sıvı bir yüzeye tutunması olayıdır. Burada yüzeye tutunan atomik veya moleküler haldeki maddeye adsorbat adı verilirken, tutunulan yüzey ise adsorban olarak adlandırılır. Adsorbat ve adsorban molekülleri arasında elektrostatik etkileşim, Van der Waals etkileşimi yada kimyasal etkileşim yoluyla gerçekleşmektedir. Gözeneklilik, yüzey alanı, adsorbentin ve adsorbatın kimyasal yapısı, basınç, sıcaklık, ortamın pH değeri gibi etkenler, adsorpsiyonu etkileyen faktörlerdir. Polimerik adsorban kullanılması sentez ve adsorpsiyon aşamasında avantaj sağlar. Örneğin sentez aşamasının görece pratikliği, kolaylıkla tekrar kullanılabilmesi, şekillerinin uygun formlarda olması, gözenekli veya gözeneksiz olabilmesi bunlardan bazılarıdır.Bu çalışmada borun sudan giderilmesi için adsorpsiyon yöntemi kullanılmıştır. İlk olarak bor-seçici özellikte polimerik adsorban hazırlanmış; bunun için etilenglikoldimetakrilat ile çapraz bağlı poli(vinil benzil klorür) polimeri, tris(hidroksimetil)aminometan ile modifiye edilmiştir. Adsorbanın yapısı Fourier dönüşümlü Infrared Spektrometri (FTIR) ile incelenmiş, fonksiyonel gruplardaki amin miktarı analitik yöntemle tayin edilmiştir. Yapılan analitik ölçümlerle reçinenin içerdiği amin miktarı 2.45 mmol.g-1 reçine olarak bulunmuştur.Reçinenin bor adsorpsiyonu çalışmalarına, optimum adsorban miktarı belirlenerek başlanmıştır. Bunun için 0.02 – 0.12 g arasında değişen miktarlardaki reçineler, 0.485 M borik asit ile oda sıcaklığında, sürekli karıştırılarak 24 saat süre ile etkileştirilmiştir. Adsorpsiyon kapasitesinin optimum olduğu miktar 0.1 gram olarak bulunmuştur. Ardından, bu optimum miktarda alınan reçineler ile 0.128 M - 0.500 M konsantrasyonları arasında değişen borik asit çözeltileri etkileştirilip boru tutma kapasiteleri hesaplanmıştır. Konsantrasyon artışı ile birlikte reçinenin kapasitesi artarken, kapasitenin belirli bir değerden sonra sabit kalıp dengeye ulaştığı gözlenmiştir. Tampon çözelti kullanılmadan yapılan ölçümlerde reçinenin bor tutma kapasitesi 2.17 mmol.g-1 olarak tespit edilmiştir.. Ayrıca elde edilen veriler doğrultusunda Langmuir, Freundlich ve Tempkin izoterm modelleri uygulanmış; reçinenin bor adsorpsiyon davranışının Freundlich ve Tempkin izoterm modellerine uygun olduğu belirlenmiştir. adsorpsiyonuna etkisinin incelenmesi için, borik asite göre 0.485 M, Mg+2 ve Ca+2 'a göre 0.14 M olan çözeltiler ile 0.1 gram reçine etkileştirilmiştir. Sonuç olarak bu iyonların varlığının reçinenin bor adsorpsiyon kapasitesi üzerine etkisinin tolerans edilebilecek düzeyde olduğu bulunmuştur. Buna ek olarak, reçinenin bor adsorpsiyonuna pH etkisinin araştırılması için, 0.1'er gram reçine, değişen pH (pH 2, 4, 6, 8) değerindeki ortamlarda 0.485 M borik asit çözeltileri ile oda sıcaklığında 24 saat süreyle etkileştirilmiştir. Farklı pH'larda ki denemeler ise bor adsorpsiyonunun yüksek pH değerlerinde daha kararlı olduğunu göstermiştir. Reçinenin bor adsorpsiyon hızını inceleyebilmek için reçine kapasitesindeki değişim zamana bağlı olarak eser miktarda bor varlığında incelenmiştir. Yalancı birinci dereceden, yalancı ikinci dereceden ve parçacık içi difüzyon kinetik modelleri uygulanıp, reçinenin kinetik davranışı tartışılmıştır. Sonuç olarak bor adsorpsiyonunda parçacık içi difüzyon basamağının mekanizmada yer aldığı gözlenmiştir. Reçinenin rejenerasyonu özellikle endüstriyel kullanımda önemli olduğundan, bor yüklü reçinenin desorpsiyon özelliği de incelenmiş, reçineden 2.10 mmol.g-1 borik asidin desorbe olduğu görülmüştür. Bu da reçinenin adsorpladığı borun neredeyse tamamının desorbe olduğu anlamına gelmektedir. Ayrıca, desorbe edilen reçinenin bor ile bir kez daha etkileştirilerek tekrar kullanılabilirliği test edilmiş, reçinenin tam rejenarasyonunun sağlanıp tekrar kullanılabilir olduğu tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Boron is placed in-group 13 of periodic table and found at low concentration in a wide area range such as rock, soil and water in nature. Boron is used in many industrial applications, especially in insulation, retardant fiberglass and ceramic industry. In addition, boron is an essential element for living organism systems. Excess amount of it causes water and other environmental pollution. As high concentration causes adverse effects, boron level is limited in irrigation or drinking water. The World Health Organization (WHO) currently recommends the concentration of boron in drinking water to be 2.4 mg/L. Consequently, boron removal from wastewater is an important topic. Various removal methods are available for boron separation. Some of them are; precipitation-coagulation, solvent extraction, membrane filtration, reverse osmosis, electro dialysis and adsorption. Adsorption is completely different from others because it is a very useful method and needs low price equipment for removal of boron from wastewater. In the first part of this study, tris(hydroxymethyl)aminomethane was interacted with poly(vinyl benzyl chloride) resin to obtain boron selective sorbent. The resin was characterized with FT-IR spectroscopy to determine the functional groups important for boron sensitivity. Total amine content of the resin was calculated analytically as 2.45 mmol.g-1 sorbent. In the second part of the study, experimental measurements were performed on modified resin about boron adsorption. Adsorption capacity of the sorbent was investigated for different boron concentrations. Boron loading capacity of the sorbent is 2.17 mmol.g-1 resin, in non-buffered conditions. Sorption behavior was also observed in the presence of different concentration foreign ions such as Ca+2 and Mg+2. Besides that, boron adsorption was further studied at varying pH in the range of 2.0-10.0. Kinetics of boron sorption was performed at low concentration to investigate the efficiency of the modified resin at this condition. For this purpose, pseudo-first order, pseudo-second order and intraparticular diffusion kinetics models were used. Regeneration of the loaded resin was also studied. 2.10 mmol.g-1 boric acid was recovered of the loaded sample, which showed that the resin was able to desorp nearly completely.
Benzer Tezler
- Gözenekli poli(stiren-glisidil metakrilat) latekslerin sentez, karakterizasyon ve uygulama çalışmaları
Synthesis, characterization and application studies of porous poly(styrene-glycidyl methacrylate) latexes
FUNDA ÇITAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Polimer Bilim ve TeknolojisiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VURAL BÜTÜN
- Bazı polihidroksi azo-azometin bileşiklerinin sentezi ve özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and information of properties of some polyhydroxy azo-azomethine compounds
ÇİĞDEM ALBAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
KimyaOndokuz Mayıs ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ODABAŞOĞLU
- Hacimli gruplar içeren dendritik ftalosiyaninlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of dendritic phthalocyanines containing large steric effect groups
DERYA PERKTAŞ
- 1,3-dioksalan halkalı kopolimerlerin sentezi ve boyar madde tutunmasının incelenmesi
Synthesis of copolymers bearing 1,3-dioxalane ring and investigation of their dye-binding properties
NİLGÜN NEŞE CEYLAN
- Halokinonların S-, O- ve N- nükleofilleri ile reaksiyonlarından bazı yeni kinon boyalarının sentezi
The synthesis of the some new quinone dyes from the reactions of haloquinones with S-, O- and N- nucleophiles
ZELİHA ÖZSOY GÜNEŞ