Nanoscale aspects of solid adsorbents used for removalof emerging contaminants from wastewater
Atıksularda bulunan kirleticilerin uzaklaştırılmasındakullanılan katı adsorbentlerin nanoboyut özellikleri
- Tez No: 601326
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Mühendislik Bilimleri, Çevre Mühendisliği, Chemistry, Engineering Sciences, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Son yıllarda giderek artan ilaç kullanımı ile beraber bu ilaçların sulara karışmasının olası tehlikeleri önemli bir konu haline gelmiştir. Hastalıkların iyileştirilmesi için kullanılan ya da tarımsal ilaç olarak kullanılan medikal ürünler ve bunların yanı sıra kişisel koruyucu bakım ürünleri her ne kadar günümüzün vazgeçilmez ürünleri olsa da bu ürünlerin suları kirlettiği de inkâr edilemez bir gerçektir. Evsel atık ürünü, hastane atıkları ya da fabrika atıkları olarak sulara karışmakta olan ilaçlar ve kişisel bakım ürünleri, su kıtlığı ile karşı karşıya olduğumuz şu zamanlarda temiz su miktarını oldukça azalmaktadır. Son yıllarda, artan ilaç kullanımına bağlı olarak, bu ilaçların suyla karıştırılmasının olası tehlikeleri önemli bir konu haline gelmiştir. Hastalıkların tedavisinde kullanılan veya pestisit olarak kullanılan tıbbi ürünler ile kişisel bakım ürünleri günümüzde vazgeçilmez ürünlerdir, ancak bu ürünlerin suyu kirlettiği de inkar edilemez bir gerçektir. Evsel atık ürünler, hastane atıkları veya fabrika atıkları olarak suya karışan ilaçlar ve kişisel bakım ürünleri, artık temiz su miktarını önemli ölçüde azaltmaktadır. Son zamanlarda sudaki ilaç kirliliği dikkat çekmektedir. Her yıl yaklaşık 300 yeni farmasötik bileşik piyasaya sürülüyor, ayrıca yalnızca Avrupa ve ABD'de bugün yaklaşık 3000 farklı ilaç kullanılıyor. Farmasötik bileşikler, yüksek biyolojik etkinlikleri ve içerikleri nedeniyle, suda yaşayan organizmaları kolayca etkileyebilir. Herhangi bir organizmanın ve hücrenin üreme kabiliyetini ve genetiğini bozabilir, ayrıca toksisiteye neden olabilirler. En önemlisi de bazı bakteriler, farmasötik bileşiklerin suya girmesi nedeniyle ilaçlara direnç kazanabilir. İlaçlar insan ve hayvan sağlığının korunmasında, hastalıkların teşhisinde, tedavisinde ve önlenmesinde kullanılan kimyasallardır, ancak sürekli ilaç tüketimi ve ilaç üretimi su kirliliğine yol açar. Genel olarak, organizmalarda biyolojik bir etki yaratmak için ilaçlar üretilir. Bu yüzden hücre zarlarından geçmek için olabildiğince lipofiliktirler ve asidik pH'da hidrolize edilebilirler. Ayrıca, mümkün olduğu kadar güçlüdürler ve uzun süre içilip depolanmaları için sıvı fazda yüksek bir hareketliliğe sahiptirler. Bu özelliklerden dolayı, ilaçlardaki aktif maddeler ekosistemde birikebilir ve çeşitli olumsuz etkilere neden olabilir. İlaçlar, yer altı veya yer altı suları ile içme sularında tespit edilmiştir. Ayrıca insan veya hayvan atılımı, hastane atıkları veya ilaç üreten fabrikalar yoluyla doğrudan ortamda serbest bırakılabilirler. Çok sayıda ilaç ve bunların miktar araştırmaları, ilaçların atık su arıtma tesislerinin çıkışından yüzeysel sulara tehlikeli konsantrasyonda yayıldığını göstermiştir. Farmasötiklerin ve kişisel bakım ürünlerinin yüzey ve içme suyunda ve atık su arıtma tesislerinde tehlikeli seviyelerde bulunması hem karasal hem de sucul ekoloji için tehlike oluşturur. İlaç ve kişisel bakım ürünleri, bitkilerin yanı sıra insan veya hayvan sağlığını doğrudan veya dolaylı olarak etkilemiştir. Bu nedenle, ilaçların ve kişisel bakım ürünlerinin sudan uzaklaştırılması özenle incelenmelidir. Araştırmalarda görülen şudur ki ibuprofen ve ketoprofen, en yaygın kullanılan ilaçlardır, ayrıca kafein ve teofilin, esasen yalnızca ilaç içerisinde değil, aynı zamanda bazı doğal yiyeceklerde ve içeceklerde bulunması nedeniyle de çevreyi tehdit etmektedir. Bu bileşenler sürekli olarak çevreye salınıyor ve insanlar, hayvanlar ve bitkiler için akut veya kronik sorunlara neden oluyor. Bu nedenle bu ilaçların sudaki mevcudiyeti, araştırma alanındaki en önemli konulardan biri olmuştur. Bu bağlamda, atık suda önemli konsantrasyonda tespit edilen bu dört ana ilaç, bu tezde bazı ileri nano boyutlu adsorbanlar üzerinde adsorbat olarak kullanılmıştır. Atıksuları her türlü kirlilikten arındırmak için birçok yöntem ve bu yöntemleri son teknoloji ile kombine etmiş atıksu arıtma tesisler bulunmaktadır. Ancak bu arıtma tesisleri ilaç giderimi için yeterli arıtmayı yapamamaktadır. Atıksu tesislerinin çıkış akımında gözlemlenen tehlikeli dozlardaki ilaçlar bu kouda önlem alınması gerektiğini göstermektedir. Bu bağlamda atıksu arıtımı için var olan yöntemler geliştirilmelidir, bunlardan biri de geliştirilmiş nanoboyutlu adsorbent malzemeleri kullanmaktır. Bu tezde, nanoboyutlu adsorban olarak hidrotalsit, SBA-15 ve shungit kullanılmıştır. Hidrotalsit ve SBA-15'in sentezlenmesi ve işlevselleştirilmesi kolay olduğundan, bu malzemeler kısa sürede düşük maliyetle elde edilebilir. Ayrıca, hidrotalsitin yüzey hafıza etkisi sayesinde, birçok adsorpsiyon döngüsünde kullanılabilir. SBA-15'in organo grupları ile işlevselleştirilmesi ile SBA-15'in adsorpsiyon kabiliyeti artabilir. Shungit ise, grafen ve fonksiyonlu yapılara yol açan yüksek düzeyde karbon içeren doğal bir mineraldir. Bu yapılar sayesinde shungit, birçok uygulama alanında ve adsorpsiyon işleminde kullanılabilir. Özelliklerini geliştirmek için asit bazlı işlem veya termal işlem yöntemleriyle değiştirilebilir. Bu tez çalışmasında üç farklı geliştirilmiş adsorban malzemelerinin, spesifik olarak seçilen dört farklı ilaç üzerine adsorpsiyon özellikleri incelenmiştir. Doğal mineral olan shungit ve kolaylıkla sentezlenip modifiye edilebilen hydrotalcite ve SBA-15 malzemeleri adsorbent olarak kullanılmıştır. İlaç seçimi ise, literatür araştırmaları neticesinde atıksularda en fazla bulunan ibuprofen ve ketoprofen ve giderimi oldukça zor olan cafein ve teofilin kulanılmıştır. Adsorbentlerin kristal özellikleri XRD ile, adsorpsiyon özellikleri Uv-Vis ile ve por çapları thermoporometry ile incelenmiştir. Sonuçlara göre, tüm adsorban materyaller başarıyla sentezlenebilir ve değiştirilebilir. Hidrotalsit başarılı bir şekilde laboratuvar ortamında sentezlenebilir ve kalsine edilebilir, SBA-15, bazı organo grupları ile fonksiyonel hale getirilebilir ve shungit, asit bazlı işlemle modifiye edilebilir. Dört ilacın adsorpsiyonu açısından, bu adsorbanlar, dört ilacın adsorpsiyonunda farklı adsorpsiyon özellikleri göstermiştir. Hidrotalsit, yüzey belleği etkisi sayesinde 5 döngü adsorpsiyonda kullanılabilir. SBA-15, ketoprofen ve ibuprofen'i etkili bir şekilde adsorbe edebilir. Shungit, her tür ilaç için mükemmel adsorpsiyon özellikleri göstermiştir. Ayrıca, üç adsorban arasında sadece shungitin, kafeini yüksek oranda adsorbe edebildiği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
It is known that water is an indispensable source for survival, when it is considered for the whole world, it is not possible that the water resources will not be exhausted. Water has no other alternatives that can be used if it runs out of, that is why we have to be extremely careful to protect this essential life source. Scarcity of water effects not only human life but also flora and fauna and the whole environment. If there is no water, there will be no living life in the world. Water pollution affects both human life and all other living. Because of the poor water quality, so many people have faced with some health problems, in fact, some of them has died. The United Nations announced that each day, about 1000 children die because of the poor quality water that can cause some diseases. In Addition that, contaminants in water have been affecting the life of animals as well as the environment. Water quality and quantity do not affect just human's life quality, also affect plant and animal species and environmental stability, therefore, water pollution must be prevented. Contamination of water results from excessive ingress of any contaminants into the water source. Some pathogenic bacteria and virus, heavy metals, radioactive and detergents can pollute water. Unfortunately, these sources can be varied, they make our water poor quality for drinking or using in our daily life and agriculture. Contaminants in water could cause some disastrous effects to animals and the environment as well as human. For instance, according to United Nations about 80% of wastewater arising from human activities have been directly discharged into rivers or sea. That kind of discharging would absolutely cause the degeneration of the aquatic system. Recently pharmaceutical pollution in water has been attracted the attention. Approximately 300 new pharmaceutical compounds have been launched to the market every year, moreover only in Europe and the USA about 3000 pharmaceuticals are used today. Pharmaceutical compounds can effect easily aquatic organism due to the their high bioactivity and polarity. They can degenerate reproductivity and genetics of any organism and cells moreover they can cause toxicity. Also, some bacterias can gain resistance to drugs due to ingress of pharmaceuticals compounds into the water. In recent years by the increasing use of drugs, the potential dangers of mixing these drugs with water have become an important issue. Medical products used for the treatment of diseases or used as pesticides, as well as personal care products are indispensable products of today, although it is undeniable that these products pollute the water. Drugs and personal care products that mix with water as domestic waste products, hospital wastes, or factory wastes are now significantly reducing the amount of clean water. Drugs are chemicals used for protecting of human and animal health, diagnosing, treating and preventing of diseases, but continuous consumption and production of pharmaceuticals lead to water pollution. In general, medicines are produced to create a biological effect on organisms. That is why they are as lipophilic as possible to pass through the cell membranes and can be hydrolyzed at acidic pH. Furthermore, they are as potent as possible and have high mobility in the liquid phase in order to be easy to drink and store for a long time. Due to these properties, the active substances in the drugs can accumulate in the ecosystem and cause various adverse effects. They have been detected in the wastewater, ground or underground water and drinking water. They also might be directly released in the environment via human or animal excretion, hospital effluent or pharmaceuticals producing factories. Numerous studies of drugs and their quantities have shown that drugs are widely distributed from the outlet of the wastewater treatment plants to the surface waters at dangerous concentration. The presence of pharmaceuticals and personal care products in surface and drinking water and in wastewater treatment plants at dangerous levels poses threat to both terrestrial and aquatic ecology. Pharmaceuticals and personal care products have directly or indirectly affected human and animal health as well as plants. Therefore, removal of pharmaceuticals and personal care products from water must be elaborately examined. Ibuprofen and ketoprofen are the most commonly used drugs, furthermore caffeine and theophylline substantially pose threat the environment due to the presence not only in the durgs but also in some health products, foods and beverages. These components have been constantly releasing to the environment and causing the acute or chronic problems for humans, animals and plants. That is why the existence of these drugs in water have been the one of major topic in the research interests. In this context, these four major drugs which detected in wastewater at significant concentration were used as adsorbate on some advanced nanosized adsorbents in this thesis. Caffeine and theophylline are one of the most common compounds presents naturally in tea, cocoa seeds, coffee and chocolate as well as found in many drugs. Even the concentration of caffeine is at low level, chronic exposure of caffeine would absolutely pose threat to human health, microorganisms in the aquatic system and quality of drinking water. According to this detection of caffeine even in trace amounts at the exit of wastewater treatment plants and in aquatic environment and the emergence of negative effects of caffeine on both aquatic organisms and human has led to new studies to remove of caffeine from wastewater treatment plants. Ibuprofen and ketoprofen are the most outstanding contaminating members of non-steroidal antiinflammatory drugs in water system at concentration about 24.6 μg/L, due to high consumption, low water solubility and high mobility in water. Therefore they can not be removed from wastewater systems by traditional water treatment methods used in many wastewater treatment plants. There are many methods to remove all kinds of pollution from wastewater and facilities that combine these methods with the latest technology. However, these treatment plants cannot make sufficient treatment for removal of pharmaceuticals. Dangerous doses of drugs observed in the effluent flow of wastewater plants indicate that precautions should be taken against this condition. In this context, existing methods for wastewater treatment should be developed, one of which is to use improved nanoscale adsorbent materials. In this thesis, hydrotalcite, SBA-15 and shungite are used as adsorbents. Due to easy to synthesize and functionalize of hydrotalcite and SBA-15, these materials can be obtained with low cost in short time. Furthermore thanks to surface memory effect of hydrotalcite, it can be used in many adsorption cycles. By functionalization of SBA-15 with organo groups, the adsorption capability of SBA-15 can increase. As for shungite, it is a natural mineral containing carbon at high level led to graphene and fullerenes structures. Thanks to these structures, shungite can be used in many application area as well as used in adsorption process. It can be modified by acid-base treatment or thermal treatment methods to improve its properties. In this thesis, the adsorption of four specifically selected drugs that are caffeine, theophylline, ketoprofen and ibuprofen on three developed adsorbent materials which are SBA-15, hydrotalcite and shungite was investigated. Natural mineral shungite, hydrotalcite and SBA-15 materials, which can be easily synthesized and modified, were used as adsorbents. On the other hand, ibuprofen and ketoprofen were found in wastewater and caffeine and theophylline, which are very difficult to remove, were used for drug selection. Crystal properties of adsorbents were investigated by XRD, adsorption properties by Uv-Vis and pore diameters by thermoporometry. According to results, all adsorbent materials could be synthesised and modified successfully. Hydrotalcite could be synthesized and calcined successfully, SBA-15 could be functionalized with many organo groups and shungite could be modified by acid-base treatment. In terms of adsorption of four drugs, these adsorbents showed different adsorption properties to adsorp of four drugs. Hydrotalcite could be used in 5 cycles of adsorption thanks to its surface memory effect. SBA-15 could affectively adsorp ketoprofen and ibuprofen. Shungite showed perfect adsorption properties for all types of drugs. Moreover, it is the most important result that among three adsorbents, only shungite could be adsorp caffeine.
Benzer Tezler
- Akrilik monomer esaslı nanokompozit hidrojellerin elde edilmesi ve uygulamaları
Preparation of acrylic monomer based nanocomposite hydrogels and their applications
MERT DALARAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAADET K. PABUCCUĞLU
- Mechanics of nanomaterials consisted of random networks
Rastgele ağ yapılı nano malzemelerin mekaniği
MESUT KIRCA
Doktora
İngilizce
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
YRD. DOÇ. DR. ALBERT C. TO
- Magnetic monitoring approach to kinetics of phase transformations in multicomponent alloy systems
Çok bileşenli alaşım sistemlerinde faz dönüşüm kinetiğine manyetik izleme yaklaşımı
NAGEHAN DUMAN
Doktora
İngilizce
2012
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AMDULLA O. MEKHRABOV
PROF. DR. M. VEDAT AKDENİZ
- Ni/ZnO nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz tekniğiyle üretimi
Production of Ni/ZnO nanocomposite particles via ultrasonic spray pyrolysis (USP) method
İLAYDA KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Bakır/gümüş/çinko oksit (CuAg/ZnO) partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz yöntemiyle üretimi
Production of CuAg/ZnO nanocomposite particles by ultrasonic sprey pyrolysis
TOLGA ÇAKMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN