High internal phase emulsion based adsorbents for efficient dye removal
Yüksek iç faz emülsiyon yöntemiyle hazırlanan adsorbentlerle etkin boya giderimi
- Tez No: 607058
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDEM YAVUZ
- 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: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Çevre kirliliği, özellikle de su kirliliğinin kontrolu son yıllarda artan bir önem kazanmaktadır. Endüstriyel ve şehirsel atıklardan salınan zaralı maddeler insan sağlığı için büyük tehtid arz etmektedir. Bunların içinde zararlı metaller ve yanısıra boyaların salınımı da büyük bir sorun teşkil etmektedir. Çok küçük oranlarda olmasına rağmen, parlaklıklarından dolayı çok küçük miktarlarında bile görünürlerdir. Örneğin, bazı boyalar 1 ppm'den daha az miktarlarda bile gözle görünürler. Sonuç olarak çok küçük miktarlarda boya çok büyük hacimde suları boyayabilir. Bu kolay boyanabilirlik yaşayan organizmalar için yaşamsal bir soruna yol açar: Fotosentezin önlenmesi ve ekosistemlerin etkilenmesi. Ticari olarak kullanılan yüz binin üzerinde boya vardır ve bunlar yıllık 50000 tonun üzerinde atık yaratırlar. Daha kötüsü tekstil endüstrisi müşterilerini memnun etmek için daha dayanıklı ve parlak boya arayışı içindedir. Bu yüzden bu boyalar geleneksel atık su işleme yöntemleri için daha dayanıklı olmaktadırlar. Biyolojik yöntemler, aktive edilmiş çamur ve damla filtrasyonu gibi yöntemler boya temizlemede biyolojik bozulmaya daha dayanıklı boyaların ortaya çıkmasıyla etkinliklerini kaybetmektedirler. Diğer bir yöntem aktif karbon üzerine adsorpsiyondur fakat bu işlem aktif karbonun yüksek fiyatından dolayı fazla yatırım ve işlem maliyeti getirir. Boya giderilmesinde mümkün olabilen proseslerden biri sabit yataklı filtrelerde uygun sorbentler kullanmaktır. Ancak bu maddelerden birçoğu; okaliptus kabuğu, pirinç kabuğu, modifiye çimen reçine parçacıkları gibi, rejenere edilemedikleri için gibi bir kere kullanıldıktan sonra atılmaktadırlar. Rejenere edilebilen, yüksek yüzey alanlı, hedef molekülü seçici olarak adsorplayabilecek yüzeye kovalent bağla bağlı fonksiyonel grupları bulunan, asit ve baz hidrolizine dayanıklı adsorbentler kullanmak atık sulardan zararlı metal iyonları ve reaktif boya moleküllerini hızlı bir şekilde gidermek için çok uygun bir yöntemdir. Adsorpsiyon, molekülleri bir adsorbent yüzeyinde tutmayı amaçlayan, ekzotermik bir prosesdir. Hedef molekül ve adsorbent arasındaki adsorpsiyon mekenizması adsorbentin yüzeyinde gerçekleşir. İyon değişimi ve fiziko-kimyasal adsorpsiyon, adsorpsiyon mekanizmasında başat roldedirler. Adsorbent yüzeyindeki karboksilik asit, amin, tiyol, fosfat, amit gibi gruplar boya bağlama kapasitesine sahiplerdir. Adsorpsiyon etkinliğini etkileyen faktörler : sıcaklık, pH, başlangıç konsantrasyonu, etkileşim süresi, adsorbent miktarıdır. Sıcaklık ve etkileşim zamanıyla adsorpsiyon etkinliği artar ve optimum pH aralığı hedef moleküle ve fonksiyonel gruba göre değişir. Adsorpsiyon başladıktan belirli bir süre sonra denge adsorpsiyon etkinliğine ulaşılır. Artan adsorbent miktarıyla etkinlik, yüzey alanı dolayısıyla aktif grubu miktarı arttığından artacaktır. Tezde, hazırlanan adsorbentlerin etkinliği yukarıda bahsedilen faktörler açısından incelenmiş, metilen mavisi için optimum adsorpsiyon koşulları ve hedef moleküle seçicilik araştırılmıştır. Metilen mavisi calico kumaşların basılması, boyanması, pamuklu kumaşların boyanmasında kullanılır. Aynı zamanda antiseptik olarak ve diğer tıbbı amaçlar için de kullanılmaktadır. Çok zararlı etkileri olmamakla birlikte bir çok zararlı etkileri vardır. Bu sebeple insan sağlığı ve çevresel etkenlerden dolayı metilen mavisi çevrede bulunduğu ortamlardan giderilmelidir. Yüksek iç faz emülsiyon yöntemi iç fazın %74 veya daha fazla olduğu bir şablon yöntemidir. Gözenek hacmi %80-90 olan oldukça gözenekli ve yüksek yüzey alanlı polimerler hazırlamak için kullanılır. Bu polimerik malzemeler kolaylıkla hazırlanabilir ve ağır metal ve tekstil boyalarının atık sulardan giderimi, heterojen kataliz, enzim ve protein saflaştırılması, doku mühendisliği gibi bir çok uygulama için kolaylıkla fonksiyonlandırılabilirler. Organik fazda bulunan monomerlerin polimerleştirilmesi ve iç faz damlacıklarıyla oluşan mikrometre boyutlarında kaviteler su fazının buharlaştırılıp uzaklaştırılmasıyla yüksek gözenekliliğe sahip bir polimer elde edilir. Bu malzeme poliHIPE olarak adlandırılır. Bir poliHIPE malzeme aynı zamanda, büyük kavitelerin iletimini sağlayan ve genellikle pencere olarak adlandırılan daha küçük gözeneklere de sahiptir. Böylece poliHIPE malzemeler open-pore (açık gözenek) morfolojiye sahiptirler. Mikrometre düzeyinde büyük gözenekler (kaviteler) içermesi ve düşük oranda mezo ve mikro gözeneklere sahip olmaları sebebiyle genellikle 10-20 m2/g arasında düşük yüzey alanına sahiplerdir. Yüzey alanı, gözenek çapı, gözenek çapı dağılımı, mekanik özellikler, ısısal özellikler, fonksiyonel grup içeriği gibi bir çok parametre doğru adsorbenti seçmede dikkate alınması gereken faktörlerdir. Doğru fonksiyonel polimeri adsorbent olarak seçmekte bu parametrelerin incelenmesi, adsorbentin, boyaların çevreden giderilmesi için kullanımında önem arz edecek ve doğru seçimin yapılmasını sağlayacaktır. Adsorbentin hazırlanmasında kullanılan gözenekli polimerik destek malzemesi gözeneklerinin iç kısımlarında aktif grupları barındırmaktadır ve başarılı bir ayırma veya katalitik bir reaksiyon için reaktanlar ile ürünlerin bu aktif gruplara ulaşmasına olanak sağlamalıdır. Bu sebeple polimerik destek malzemesinin dikkatli seçimi bu tür prosesler için çok önem arz etmektedir. Bu tezde %80 ve %90 oranında gözenekliliğe sahip çapraz bağlı polimerler, HIPE, yüksek iç faz emülsiyon yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Monolit formunda hazırlanan poliHIPE'ler, yüksek yüzey alanı elde etmek için fonksiyonlandırılmadan önce toz formuna getirilmiştir. Gözenekli polimer, polyHIPE, vinil benzil klorür, stiren ve divinil benzen çapraz bağlayıcısı ile hazırlanmış ve tert-BuA monomeri atom transfer radikal polimerizasyonu ile poliHIPE yüzeyindeki benzil klorür başlatıcı grupları üzerinden aşılanmıştır. SI-ATRP (Surface initiated ATRP) olarak adlandırılan bu yöntemle çapraz bağlı polimerik malzemenin yüzeyine polimerik fırçalar aşılanır. Asidik ortamdaki hidroliz aşamasından sonra poliakrilik asit aşılanmaış poliHIPE, metilen mavisinin sulu çözeltilerden giderilmesinde yüksek etkinlikle kullanılmıştır. Bu tezde metilen mavisi adsorpsiyonu için %80 ve %90 oranında gözenekliliğe sahip gözenekli polimerler hazırlanmıştır. Polimerlerin morfolojileri SEM elektron mikroskobuyla, yüzey alanı BET, yüzey analiz cihazıyla, fonksiyonel grup karakterizasyonu FT-IR ve analitik metodlarla gerçekleştirilmiştir. SEM görüntüleri yüzey morfolojisinin büyük gözenekler, kavitelerden oluştuğunu ispatlamaktadır ve gözlenen gözenek çapları malzemenin makroporoz yapıda (>50 nm) olduğunu ispatlamaktadır. Ayrıca SEM görüntüleri poliHIPE'leri önemli avantajlarından birisi olan açık-gözenek sistemini gözlemlememize olanak sağlamaktadır. BET cihazı kullanılarak, azot fiziksel adsorpsiyonu ile poliHIPE'nin yüzey alanı 9.1 m2/g olarak ölçülmüştür. Polimerik fırçalarla aşılanmaış aşılanmış poliHIPE, PolyHIPE-g-PAA, metilen mavisini yüksek kapasitesiyle sulu çözeltilerden adsorplamıştır. Polimerik fırçaların yapıya getirdiği avantajları test etmek için asit grubu taşıyan poliHIPE sentezlenmiş ve adsorpsiyon kinetikleri karşılaştırılmıştır. Adsorpsiyon kinetiği deneyleri açıkça göstermiştir ki polimerik fırçalar içeren poliHIPE içermeyen polimere göre çok daha hızlı bir boya adsorpsiyonu gerçekleştirmiştir. Ayrıca polimerik fırça taşıyan polimerler, aynı yöntemle fonksiyonlandırılmış, süspansiyon polimerizasyonu yöntemiyle hazırlanan polimerik küreciklerle de kinetik açıdan kıyaslanmıştır. Kapalı ve mikro ve mezo gözenekler içeren polimerik kürecikler poliHIPE'lere kıyasla daha yavaş bir adsorpsiyon kinetiği göstermişlerdir. Böylelikle hazırlanan malzemenin metilen mavisi için etkin bir adsorbent olduğu ispat edilmiştir. Adsorpsiyon kinetiği denemelerin yanısıra adsorsiyon deneylerinin sonuçları Langmuir, Freundlich, Dubinin–Radushkevich adsorpsiyon izotermeriyle test edilmiştir. Sonuçlara göre poliHIPE üzerindeki metil mavisi adsorpsiyonu Freundlich izotermine uygunluk göstermiştir.
Özet (Çeviri)
High Internal Phase Emulsion is an emulsion template method where internal phase of emulsion is 74 % or more. It is used widely to prepare highly porous polymers with pore volume of 80-90% and high surface area. They can be easily prepared and easily functionalized for various applications such as heavy metal and textile dye removal from waste waters, heterogeneous catalysis, enzyme and protein purification, tissiue engineering. Every year approximately 50,000 tons of dye are discharged into global water systems from textile industries. They are can be easily detectable even at trace amounts in water. For example for some dyes, dye concentration less than 1 ppm of in waterbodies can be observable. As a result trace amount of dyes can color big volume of water bodies. This easy coloration of water can cause a vital problem for living organisms. Inhibition of photosynthesis and affecting aquatic ecosystems. Methylene blue is a basic dye used for printing calico, dyeing, printing cotton and tannin, indicating oxidation-reduction. It is also used as an antiseptic and for other medicinal purposes. Although not strongly hazardous, methylene blue can have various harmful effects. Therefore it is a necassary to remove methylene blue from environment for human being and environmental reasons. To choose the convenient functional polymers for a specific applications such as removal of hazardous metals from eniviroment many considerations like surface area, pore size, pore size distribution, mechanical properties, thermal properties, functional group content need to be taken into account. The matrix structure with active sites embedded inside in pores should allow reactants and products to the reactive sites through pores to achieve a successful separation, adsorption or catalysis. Therefore a careful choice of matrix (polymer support) is the vital for such applications. In this thesis crosslinked highly porous with high porous volume polymers were prepared using high internal phase emulsion method (HIPE). Polymerization of external organic phase with 90% aqueous internal phase gave a monolith polyHIPE structure and then powdered before further functionalization. The surface of porous polyHIPE has ben successfully tailored with tert-BuA monomer via atom transfer radical polymerization through benzyl chloride initiation sites on polymer support. This method is called SI-ATRP (Surface Initiated-ATRP) which allows grafting polyacrylic acid onto polymeric materials as spacer arms. Resulting material polyHIPE with spacer arms carrying asit functional groups was used to remove methylene blue from aqueous solutions with high capacity and fast uptake.
Benzer Tezler
- Polymerized high internal phase emulsion based adsorbents for efficient dye removal
Yüksek iç faz emülsiyon yöntemiyle hazırlanan adsorbentlerle etkin boya giderimi
GÜLENAY ÜZÜM
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDEM YAVUZ
- Mn3O4/p(DCPD)hipe nanokompozitlerin sentezi ve katalitik uygulamaları
Synthesis and catalytic applications of Mn3O4/p(DCPD)hipe nanocomposites
RABİA YEŞİL
- Hierarchically porous high surface area polymers with interconnected pores for fast and selective albumin adsorption
Hızlı ve seçici albümin adsorpsiyonu için hiyerarşik ve birbirine bağlı gözenek yapısına sahip olan yüksek yüzey alanlı polimerler
MERVE SÜSLÜKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDEM YAVUZ
- Synthesis of acrylic based high internal phase emulsion polymers and their application in chromatography
Akrilik bazlı yüksek iç faz emülsiyon polimerlerinin sentezi ve kromatografide kullanımı
YELİZ TUNÇ
Doktora
İngilizce
2009
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEZBAN ULUBAYRAM
PROF. DR. NESRİN HASIRCI
- Poliester esaslı, çapraz bağlı, gözenekli yapı içeren poliHIPE malzemelerin sentezi, modifikasyonu ve karakterizasyonu
Synthesis, modification and characterisation of polyester based cross linked porous polyHIPE materials
EMİNE HİLAL MERT
Doktora
Türkçe
2010
Polimer Bilim ve TeknolojisiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILDIRIM