Preparation of poly(N-tris[hydroxymethyl]methyl acrylamide) based hydrogels and composites for removal of boron from aqueous solutions
Sulu çözeltilerden bor giderilmesi için poli(N-tris[hidroksimetil]metil akrilamid) bazlı hidrojel ve kompozitlerin hazırlanması
- Tez No: 557652
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 99
Özet
Periyodik cetvelin 3A grubunda yer alan bor, yarı metal olarak kabul edilen bir elementtir. Bor doğada element hali yerine borat ya da borik asit gibi bileşikler halinde bulunmaktadır. Bor, canlılar için gerekli bir mikro besindir. Pek çok ürünün yetiştirilmesinde bor kritik bir rol oynar. Sulama suyunda belirli metabolik faaliyetlerin gerçekleşebilmesi için mutlaka bor bulunmalıdır. Ancak, eksiklik belirtilerine neden olan bor miktarı ile toksik etki yapan bor miktarı birbirine son derece yakındır. Bor sulu ortamlarda genellikle borik asit ya da kısmen borat tuzları formlarında bulunabilmektedir. Bor bileşikleri oldukça fazla endüstride kullanım alanı bulur. Bor bileşikleri ilaç üretimi ve metal endüstrisi dahil akla gelebilecek çoğu sektörde tercih edilir. Cam endüstrisi ise dünyadaki toplam bor bileşiklerinin en fazla kullanıldığı endüstridir. Buna ek olarak temizlik ürünlerinden kozmetik sektörüne kadar borun kullanımına denk gelmek mümkündür. Bor bileşiklerinin özelliklerini barındırıp aynı kalitede ve ucuzlukta elde edilebilecek başka bir mineral olmaması boru ön plana çıkarmaktadır. Gelecekte enerji üretim kaynağı olarak kullanılabilme olasılığı ise öneminin daha da artmasına neden olacaktır. Savaş ve uzay endüstrisinde sağlayacağı avantajlar göz önüne alındığında borun daha fazla alanda kullanılabileceğine şahit olunacaktır. Türkiye, ABD, Arjantin ve Rusya Fedarasyonu sırasıyla Dünya bor yataklarının en çok bulunduğu ülkelerdir. Dünya bor rezervinin % 72'si Türkiye'de bulunur. Bunlara ek olarak, Çin ve Güney Amerika ülkelerinde de bor yatakları vardır. Dünyaki toplam bor rezervinin yaklaşık 1.2 milyar ton olduğu tahmin edilmektedir. Borun oksijene karşı yüksek ilgisinden dolayı oksit formlarda oluşur. Toprak ve kayada,daha çok boraks olmak üzere borat formunda da bulunabilmektedir. Sulu ortamlarda ise borik asit ve nadir olara borat tuzları formunda bulunabilmektedir. Dünya Sağlık Örgütünün bor için izin verilen maksimum konsantrasyonu 2.4 mg/L'dir. Bor ülkemizde sulama sularını en çok kirleten toksik element olarak kabul edilir. Toprağa karışmasından dolayı tarımsal üretimi ve insan sağlığını olumsuz etkileyen içme ve sulama sularındaki borun giderimi için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Sulardan bor giderimi için kullanılan yöntemler arasında ilk akla gelenler çökeltme-koagülasyon, adsorpsiyon, elektrokoagülasyon, iyon değişimi ve ters osmozdur. Adsorpsiyon işlemleri her geçen yıl yeni materyallerin kullanılmasıyla sulardan toksik maddelerin gideriminde en etkili yöntem olarak ön plana çıkmaktadır. Modifiye edilmiş veya edilmemiş kil mineralleri, polimerik jeller ve aktif karbon gibi pek çok farklı materyal adsorpsiyon yöntemi ile su ve atıksulardan bor giderimi için kullanılabilmektedir. Killer ayrıca hidrojellere katkı maddesi olarak eklenip özelliklerini geliştirmekte kullanılmaktadır. Kil mineralinin yapısına bağlı olarak etkisi de artmaktadır. Adsorpsiyon işleminde yüzeyde tutunan maddeye“adsorblanan maddde veya adsorbat”ve üzerinde adsorbsiyonun gerçekleştiği katıya ise“adsorbent veya adsorban”denmektedir. Ayrıca adsorbsiyon işleminin tersine adsorplanan maddenin ortama geri verilmesi işlemine de desorpsiyon denir. Bunun sonucunda yüzeyde derişimin azalmaktadır. Hidrojeller ise suyla etkileştiklerinde diğer maddelerin aksine çözünmeyen ve çözücüyü içine alarak şişen üç boyutlu yapıdaki polimerlerdir. Yapılarındaki kimyasal veya fiziksel çapraz bağların sonucu olarak hidrojeller suda çözünmezler. Hidrojeller pH, sıcaklık veya elektriğe karşı duyarlı olabilirler. Özellikle medikal alanda oldukça fazla kullanım alanına sahip olan hidrojeller adsorpsiyon işlemleri için de sıklıkla tercih edilmektedir. Adsorpsiyon işleminde ise birçok parametre sonucu etkilemektedir. Adsorbanın yüzey alanı, kimyasal yapısı, sıcaklık ve pH değeri gibi değişkenler adsorpsiyon işleminde göz önüne alınıp değerlendirilmesi gereken faktörlerdendir. Hidrojellerin bor adsorpsiyonuda etkisini araştırma işine ilk olarak poli(N-[Tris(hidroksimetil)metil]akrilamid-ko-1-vinil imidazol) (THMMA-ko-VIm-ko-EGDMA) bazlı hidrojel sentezlenerek başlanmıştır. Serbest radikalik polimerizasyon ile jel 80 oC'de yaklaşık 15 dakikada sentezlenmiştir. Jelin sentezi 1 gram N- [Tris (hidroksimetil) metil] akrilamid baz alınarak yapılmıştır. Hidrojel miktarı yetersiz geldiğinde ise aynı oranlara göre yeniden sentezlenmiştir. Bundan sonra, (THMMA-ko-VIm-ko-EGDMA) kil kompozitlerini hidrojel hazırlamak için sepiyolit ve kaolinit kullanılmıştır. Hidrojellerin fonksiyonel grupların bor seçiciliği açısından önemini anlamak için Fourier-dönüşülü kızılötesi spektroskopi sayesinde karakterize edilmiştir. Buna ek olarak, amin içeriğinin belirlenmesinde analitik yöntemler kullanılmıştır. Toplam amin içeriği 2.125 mmol / g sorbent olarak belirlenmiştir. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, hidrojeller ile bor adsorpsiyon deneyleri yapılmıştır. Farklı konsantrasyonların etkisinden önce adsorban miktarının etkisi belirlenmiştir. 0.025 gram hidrojelden başlanarak 0.125 grama kadar 0.491 M borik asit ile etkileştirilmiştir. Buna uygun olarak en kullanışlı sonuç 0.100 gram hidrojelde elde edilmiştir. Daha sonrasında ise jel miktarının artmasının bor adsopsiyonuna olumlu etkisi olmadığı ve sonuçların sabitlendiği görülmüştür. Devamında ise optimum adsorbent dozu belirlendikten sonra, hidrojel ve kompozitleri için farklı bor konsantrasyonların etkisi araştırılmıştır. THMMA-ko-VIm-ko-EGDMA bazlı hidrojelin maksimum bor yükleme kapasitesinin gram sorbent başına 4 mmol olduğu bulunmuştur. Sepiyolit ve kaolinit katkılı hidrojellerin bor adsorpsiyon kapasitesi asıl jele göre daha fazla çıkmıştır. En yüksek bor adsorpsiyon kapasitesi ise sepiyolit katkılı hidrojelde elde edilmiştir. Ayrıca, Ca+ 2 ve Mg+ 2 gibi tuz ve yabancı iyonların bor adsorpsiyon kapasiteleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Buna ek olarak, 2.3 ila 10 arasında değişen pH değerlerinde (tamponlanmamış) bor adsorpsiyon kapasitesini bulmak için deneyler yapılmıştır. Borik asit çözeltisine zayıf asit ve baz eklenerek araştırılması istenen pH değerlerine ayarlanmıştır. Asidik şartlar altında elde edilen kapasite oldukça düşüktür. Bazik şartlar altında ise kapasitenin arttığı gözlenmiştir. Asit veya baz eklenmemiş borik asitin pH değeri ise 5.7 olup bu değerde de oldukça iyi bir kapasite elde edilmiştir. Bu çalışmanın son bölümünde tüm hidrojeller için Freundlich, Langmuir ve Tempkin izoterm modelleri kullanılarak sonuçlar elde edilmiştir. Hidrojellerin eser oranda kirlikleri giderilmesinde kullanılmasına anlamak için yalancı birinci mertebe ve yalancı ikinci mertebe modelleri ve intra-difüzyon kinetiği modelleri uygulanmıştır. Tüm hidrojeller, Freundlich izotermine ve yalancı ikinci mertebe modeline uymaktadır. Öte yandan, hidrojelin tekrar kullanılabilirliğini incelemek için desorpsiyon denemeleri yapılmıştır. Yüklenen hidrojelden geri kazanılan borik asit miktarı, 2,25 mmol/g'dir. Son olarak, hidrojel ve onun kompozitleri için şişme kinetiği deneyleri uygulanmıştır. Kil bazlı hidrojeller, asıl hidrojelden daha fazla şişmektedir. Asıl hidrojelin 24 saat sonunda ulaştığı şişme 467%'dir. Ancak hidrojelin su absorplaması çok hızlı gerçekleşen bir işlem olduğu için ilk 3 saatin sonunda şişme miktarı azalmaya başlar. 24 saate gelindiğinde ise 3 saatten sonra fazla şişmediği görülmektedir. Sepiyolit katkılı hidrojel ise en yüksek şişmeyi gösterir. Bunun sebebi ise sepiyolitin iki tabakalı bir jel olmasıdır. Kaolinit katkılı hidrojelde de elde edilen şişme asıl jele göre fazla olsa da sepiyolit katkılı hidrojel kadar fazla olmamasının sebebi ise kaolinitin yapısı gereği tek tabakalı killerden olmasındandır.
Özet (Çeviri)
The boron element having semi-metal and semiconductor properties is in group 3A of the periodic table. Boron is naturally found mostly as boric acid in surface and ground aqueous media, and borates in rocks, minerals, plants, coal. Boron compounds are also very important tools in many fields ranging from glass, ceramic, porcelains to fertilizers, flame retardants, detergent and in nuclear industry. The highest reserve of boron is in Turkey. Due to this situation, boron is the most pollutant toxic element in drinking and irrigation water in Turkey. World boron deposits are in order of importance; Turkey, USA, Argentina. Boron is an essential micronutrient for all organisms. Small amounts of boron are required for the growth and development of plants. However, it becomes toxic when the critical amount exceed. However, boron contamination in aqueous solutions is a serious problem. Boron can be harmful for plants and people if its concentration in water exceeds a certain amount that is recommended as 2.40 mg/L in WHO regulations. Therefore, removal of boron from the water is vital. There are many studies on removal of boron from aqueous media. The main removal processes are precipitation–coagulation, adsorption, ion exchange, membrane operations, solvent extraction after boron complexation, ultrafiltration and the use of boron selective resins. Adsorption is a comparatively more useful and economical technique at low pollutant concentrations. Low cost, effective and easily application are the advantages of adsorption as a removing of boron compound from water sources when it is compared with the other methods. Especially adsorption is very important to remove trace amount of boron from water. These sorbents include activated carbon (AC) , fly ash, polymeric adsorbents, metal oxides, clay and magnetic particle composites. At the beginning of the research, poly (N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamide-co-1-vinyl imidazole-co- ethyleneglycole dimethacrylate) (THMMA-co-VIm-co-EGDMA) based hydrogel was synthesis with free radicalic polymerization using potassium persulfate as initiator at 80 oC. After that, sepiolite and kaolinite were used to prepare (THMMA-co-VIm-co-EGDMA) clay composites of hydrogel. The hydrogels was characterized thanks to Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) in order to understand importance of functional groups. In addition, analytical methods were used for determination of amine content of hydrogel. Total amine content of was determined as 2.125 mmol/g sorbent. In the second part of this study, boron sorption experiments were carried out hydrogels. The effect of the amount of adsorbent for boron sorption was determined. Effect of different boron concentration was investigated for hyrdogel and for its composites. Maximum boron loading capacity of the THMMA-co-VIm-co-EGDMA based hydrogel was found 4.0 mmol per gram sorbent. Furthermore, effect of foreign ion such as Ca+2 and Mg+2 on boron sorption capacity was researched. Besides, capacities of boron sorption were considered with varying pH value between 2.3 to 10 (non-buffered). The last of part of this study, adsorption isotherm models that Freundlich, Langmuir and Tempkin were investigated for maximum sorption capacity of hydrogel and its composites. Pseudo first order, pseudo second order and intra-particular diffusion kinetic models were performed in order to understand of efficiency of the hydrogels. All hydrogels conformed to the Freundlich isotherm and the second order rate equation.On the other hand, desorption of the hydrogel was examined. Amount of boric acid, which was recovered of the loaded hydrogel, is 2.25 mmol/g. Finally, swelling kinetics experiments were done for hydrogel and its composites. Clay based hydrogels which are sepiolite and kaolinite hydrogels are more swollen than hydrogel.
Benzer Tezler
- Preparation of new polymeric sorbents for removal of boron from water
Sudan bor giderilmesi için yeni polimerik reçinelerin hazırlanması
GÜLÇİN TORUNOĞLU TURAN
Doktora
İngilizce
2019
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Cytochrome C purification with immobilized metal affinity chromatography (IMAC)
İmmobilize metal afinite kromatografisi (IMAC) ile sitokram C saflaştırılması
DENİZ TÜRKMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
BiyokimyaHacettepe ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADİL DENİZLİ
- Cu (II) incorporated magnetic metal complexing beads for human IgG separation in magnetically stabilized fluidized bed (MSFB) system
Manyetik olarak akışkanlaştırılmış yatak sisteminde insan immünoglobülin G ayrılması için Cu (II) takılı metal kompleksleştirici manyetik mikroküreler
MELİKE KARATAŞ
- Kitosan üzerine tarak tipi aşılanmış poli(N,N-dimetilakrilamit) ve poli(akrilamit) hidrojellerinin hazırlanması ve DNA adsorpsiyonunda kullanımı
Preparation of poly(N,N-dimethylacrylamide) and poly(acrylamide) grafted chitosan hydrogels and their use for DNA adsorption
BURCU BAŞER
- Preparation of poly(n-vinyl-2-pyrrolidone)/kappa-carrageenan hydrogels by ionizing radiation
Poli(n-vinil-2-pirrolidon)/kappa-karragenan hidrojellerinin iyonlaştırıcı ajanlarla hazırlanması
ESRA NAZAN AVCI
