Synthesis and ınvestigation of adsorption properties of mercury-selective urea-functional polymeric resin
Civaya seçimli üre fonksiyonlu polimerik reçinenin sentezlenmesi ve adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 666991
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Ağır metal kirliliği, neden olduğu çevresel ve insan sağlığına ilişkin problemlerle günümüzün dikkat çeken konularından birini oluşturur. Artan endüstrileşmeyle birlikte, sanayi tesislerinden çevreye verilen ağır metaller, verildikleri çevrede tüm canlıları olumsuz etkileyebilecek sonuçlara yol açabilirler. Biyolojik bozunabilirliğe sahip olmayan ve düşük konsantrasyonlarda dahi toksisite gösterebilen ağır metaller, vücuda alındıklarında vücudun olağan biyokimyasal süreçlerine müdahale ederek toksik etkiye neden olabilirler. Canlı dokularda birikerek besin zinciri yoluyla çok sayıda canlıya ulaşabilir ve insan sağlığı için tehdit oluşturabilirler. Ağır metallerden biri olan cıva, Toksik Madde ve Kayıt Ajansı'na (ATSDR) göre insan sağlığına tehdit oluşturan elementler sıralamasında en toksik üçüncü elementtir. Çevreye yayılımı; maden işletmeleri, fosil yakıt endüstrisi ve kimyasal üretim tesisleri gibi kaynaklardan gerçekleşir. Canlılarda hiçbir fizyolojik rol oynamayan cıva, insan sağlığında ciddi problemlere neden olabilir. Cıvanın insan sağlığına olumsuz etkileri; vücudun çok farklı sistem ve organlarında kendini gösterebilir. Merkezi ve çevresel sinir sistemleri, böbrek ve bağırsaklar cıvanın toksik etkilerinin gözlemlendiği sistem ve organlara örnek olarak verilebilir. Cıvanın çevre ve insan sağlığı için oluşturduğu riskler düşünüldüğünde, cıva kirliliğinin giderilmesi ve önlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla kimyasal çöktürme, elektrokimyasal metot gibi farklı yöntemler uygulansa da adsorpsiyon sahip olduğu avantajlarla ön plana çıkmaktadır. Adsorpsiyon, diğer yöntemlerde görülebilecek zararlı tortu oluşumu, yüksek enerji ihtiyacı ve düşük verim gibi dezavantajlara sahip değildir. Cıvanın atık sulardan uzaklaştırılmasında ekonomik ve hızlı sonuç veren bir seçenektir. Adsorpsiyon işlemi için geliştirilen adsorban yüksek miktarlarda üretilebilir, istenilen adsorpsiyon ve rejenerasyon özelliklerini gösterebilir. Mineraller, zeolitler, endüstriyel yan ürünler ve fonksiyonel polimerler cıvanın adsorpsiyon ile atık sulardan uzaklaştırılmasında kullanılabilecek malzemelerdir. Fonksiyonel polimerler, cıva adsopsiyonu için tercih edilebilen ve literatürde bu amaçla kullanımına sıklıkla rastlanan makromoleküllerdir. Ana zincirlerinin sahip olduğu stabilite ve dayanım özelliklerinin yanı sıra, ayırma işlemleri sırasında sunduğu kolaylık avantaj oluşturur. Polimerlerin sülfür, amit gibi farklı gruplarla fonksiyonlanabilmeleri, polimerin adsorpsiyon özellikleri ve seçiciliği açısından önem taşımaktadır. Cıva adsorpsiyonu için sentezlenen polimerlerin amit, sülfür ve sülfonamit gibi gruplarla fonksiyonlandırılması literatürde yer alan çalışmalar arasındadır. Azot ve kükürt içeren bu grupların cıva adsorpsiyonunda yüksek kapasite gösterdiği bilinmektedir. Cıvanın bu bu gruplarla yapmış olduğu etkileşimler Pearson'un sert-yumuşak asit-baz teorisi (HSAB) ile açıklanmıştır. Bu teori doğrultusunda yumuşak bir baz olan cıvanın, yumuşak asit karakter gösteren azot ve kükürt ile güçlü etkileşimler kurması beklenir. Bunun yanı sıra, cıvanın amit gruplarına yüksek seçicilik gösterdiği de bilinmektedir. Yapısındaki karbonil grubunun elektron çekici özelliği nedeniyle amit grubu azotu, zayıf elektron verici özellik gösterir ve geçiş metalleri ile güçlü etkileşimler kuramaz. Bu durum cıvanın amit azotu ile etkileşimindeki seçiciliği açıklamaktadır. Cıvanın amit azotu ile yaptığı etkileşimin kovalent karakter gösterdiği düşünülmektedir. Amit grubunun cıva adsorpsiyonunda sağladığı yüksek kapasite ve seçicilik, bu grubun cıva adsorpsiyonu için reçine sentezinde önemli bir fonksiyonel grup olarak değerlendirilmesini sağlamıştır. Bu tez çalışmasında üreyle fonksiyonlandırılmış reçine yardımıyla adsorpsiyon yöntemi kullanılarak sulu çözeltilerden cıvanın uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Tez çalışması kapsamında üreyle fonksiyonlandırılmış reçine sentezlenmiş ve reçinenin cıva adsorpsiyon özellikleri incelenmiştir. Adsorpsiyon işleminde kullanılacak reçine sentezi için, öncelikle süspansiyon yöntemi ile poli (vinilbenzil klorür) (PVBC) sentezi gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen PVBC, aşırı etilendiamin ortamında aminle fonksiyonlandırılmıştır. Aminlenmiş PVBC'nin amin tayini için 0,100 g'ı HCl çözeltisi (10 mL, 0,100 M) ile etkileştirilmiştir ve süzüntü fenolftalein varlığında NaOH (0,100 M) ile titre edilmiştir. Amin içeriği 4,83 mmol/ g reçine olarak bulunmuştur. Aminle fonksiyonlandırılan reçinenin bütil izosiyanat ile reaksiyonu sonucu, cıva adsorpsiyonu işleminde kullanılacak üreyle fonksiyonlandırılmış reçine elde edilmiştir. Reçinenin azot tayini için Kjeldahl metodu kullanılmıştır. Tayin sonucunda azot içeriği 5,75 mmol/ g reçine olarak bulunmuştur. Reçine sentezi aşamalarında, karakterizasyon Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometrisi (FT-IR) ve analitik yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Cıva adsorpsiyonu için cıva kaynağı olarak HgCl2 kullanılmıştır. Kapasite ölçümü için, reçinenin cıva ile etkileşmeden önceki ve cıva ile etkileştikten sonraki çözeltileri arasındaki cıva konsantrasyon farkı hesaplanmiştır. Adsorpsiyon kapasitesi, UV-vis spektrofotometre kullanılarak kolorimetrik yöntemle belirlenmiştir. Bu yöntem, difenilkarbazid eklenmesi ile mor renk veren cıva çözeltisine ait konsantrasyonun hassas ölçümüne olanak tanır. Adsorpsiyon çalışmasının ilk basamağı olarak, çalışmada kullanılacak optimum reçine dozajı belirlenmiştir. Farklı miktarlarda reçine (0,025 g, 0,050 g, 0,075 g, 0,100 g ve 0,125 g) 10 mL HgCl2 (0,050 M) ile 24 saat boyunca oda sıcaklığında etkileştirilmiştir. En yüksek adsorpsiyon kapasitesini veren ve bu nedenle çalışmanın ilerleyen basamaklarında kullanılan reçine miktarı 0,050 g olarak bulunmuştur. Reçinenin cıva adsorpsiyon kapasitesi, farklı başlangıç konsantrasyonları için ölçülmüştür. Bu amaçla reçine farklı başlangıç konsantrasyonlarına sahip (0,005 M, 0,010 M, 0,025 M, 0,050 M, 0,075 M ve 0,100 M) 10 mL HgCl2 çözeltileri ile etkileştirilmiştir. Tampon çözeltininin kullanılmadığı bu basamakta, cıva kapasitesi 0,100 M için 1,94 mmol/g reçine olarak bulunmuştur. Adsorpsiyon prosesini etkileyen bir diğer parametre olan pH etkisi tez kapsamında incelenmiştir. Farklı pH'larda hazırlanan 0,100 M HgCl2 çözeltileri (pH = 4,5,6,7), reçine ile etkileştirilmiştir. En yüksek kapasiteye pH 5 değerinde ulaşılmış olup, reçine kapasitesi 2,84 mmol/g reçine olarak hesaplanmıştır. Sentezlenen reçinenin adsorpsiyon kapasitesi kadar cıvaya göstediği seçicilik de önem taşımaktadır. Bu amaçla farklı ağır metal iyonları için (Cd(II), Zn(II) ve Pb(II) reçinenin cıva adsorpsiyon kapasitesi incelenmiştir. Bunun için ağır metal tuzlarına ait 0.10 M çözeltiler reçine ile etkileştirilmiştir. Titrimetrik yöntemle belirlenen kapasiteler incelendiğinde, reçinenin bu iyonlara karşı cıva ile kıyaslandığında düşük bir ilgi gösterdiği gözlenmiştir. Reçinenin cıva adsorpsiyon hızının belirlenmesi amacıyla kinetik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Cıva adsorpsiyon kapasitesi, farklı zaman aralıkları için belirlenmiştir. Bunun için 10 mg reçine, 10 mL HgCl2 çözeltisi (1,0 x 10-3 M) ile farklı zaman aralıkları için etkileştirilmiştir. Elde edilen grafiklerle, zamana bağlı olarak çözelti ortamında cıva konsantrasyonundaki azalma ve kapasitedeki artış gözlemlenmiş ve çözeltideki cıva konsantrasyonunun 60 dakika içerisinde sıfırlandığı kaydedilmiştir. Kinetik çalışmalarda, literatürde de sıklıkla kullanılan yalancı birinci mertebe ve yalancı ikinci mertebe modellerinin cıva adsorpsiyonuna uygunluğu araştırılmıştır. Elde edilen kinetik datanın yalancı birinci mertebe ile daha uyumlu olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Adsorpsiyon izoterm modelleri; adsorpsiyon mekanizmasının ve adsorpsiyonda rol oynayan iki faz arasındaki ilişkinin anlaşılması, adsorbent yüzey özelliklerinin incelenmesi ve maksimum kapasitenin belirlenmesi açısından önem taşımaktadır. İzoterm modelleri, sabit sıcaklıkta reçine kapasitesi ile sıvı fazdaki cıva konsantrasyonu arasındaki ilişkinin kurulduğu grafiklerle ifade edilmektedirler. Adsorpsiyon izoterm modellerinin incelenmesinde en sık kullanılan izoterm modelleri olan Freundlich ve Langmuir izoterm modelleri kullanılmıştır. Bu modellerin kullanılması sırasında farklı cıva konsantrasyonları için elde edilen kapasite sonuçlarından yararlanılmıştır. Modeller uygulandığında, deneysel verilerin Freundlich izoterm modeli ile uyumlu olduğu görülmüştür. Reçinenin tekrar kullanılabilmesi özellikle endüstriyel açıdan oldukça gereklidir. Bu nedenle reçinenin rejenerasyon özellikleri incelenmiştir. İnceleme sonunda, reçine tarafından tutulan cıvanın 1,90 mmol/ g reçine düzeyinde cıva desorpladığı ve desorpsiyon sonrasında 1,70 mmol/g reçine düzeyinde bir kapasite ile çalıştığı bulunmuştur. Bu verilere dayanarak reçinenin oldukça düşük bir kapasite kaybıyla en az 4 defa kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Increase in globalization gives rise to heavy metal pollution, which adversely affects the environment and human health. Although heavy metals can be arised from natural sources like volcanoes, antrophogenic activities are the main reasons for heavy metal pollution. Industries such as mining, painting, ceramics, electronics and building lead to discharge of heavy metals to the soil, water and air. Non-biodegradable, heavy metals accumulate in the environment and affect the whole ecosystem negatively. The negative impact of heavy metals on human health can be seen in several body organs and systems; including gut, lungs and nervous system. Mercury is a heavy metal, which is one of the most toxic element for human health. It is released from mining sites, fossil fuel and chemical plants. Mercury can be seen in different forms in the environment and humans through consumption of seafood can take its most toxic form, methyl mercury. Showing no biodegradability, mercury can accumulate in human body and can result in various health problems related to central and parental nervous systems, gut and kidney. Considering the damaging effects of mercury on environment and human health, different methods are employed for removing mercury from soil, air and water. To offer a solution for mercury pollution in water, various methods like chemical precipitation and electrochemical method are utilized. Nevertheless, these methods can cause high-energy consumption, undesired yield for removal of mercury and also can cause toxic residues. On the other hand, adsorption process is advantageous in terms of offering fast and economical solution for removal of mercury with high yield. Adsorbents used in this method can be produced in large quantities and regenerated to be used for several times. Functional polymers are macromolecules that are preferred in many studies in literature as adsorbents for removal of mercury from aqueous solutions. One of their advantages is that the main chains of polymers offer strength and stability. Their final form enables easy separation. They may be functionalized with various groups like amides, sulfides and sulfonamides to enhance the adsorption capacity and selectivity towards specific metal ion. For mercury adsorption, N and S containing functional groups have great importance in terms of high adsorption capacity. This is explained by the Pearson's hard and soft acids and bases theory (HSAB) which indicates that the soft acid-soft base and hard acid-hard base interactions are faster and stronger as it is seen between soft acid Hg (II) and soft bases like N and S containing functional groups. As a weak donor because of the presence of carbonyl group, amide nitrogen shows also high selectivity towards mercury and low affinity for transition metal ions. In that regard, amide functionalized polymers become great candidates for mercury removal from aqueous solutions. The aim of this study is synthesizing urea modified polystyrene based resin (U-resin) for removal of mercury from aqeuous solutions and investigation of its adsorption properties. For synthesis of U-resin, crosslinked Poly (vinylbenzyl chloride) (PVBC) beads were synthesized by suspension polymerization and reacted with excess ethylenediamine. The reaction of aminated PVBC beads with butyl isocyanate gave the final form of the U-resin, which was used as mercury adsorbent for this study. The characterization of the U-resin was performed by Fourier transformed infrared spectroscopy (FT-IR) and analytical methods. For mercury sorption experiments, HgCl2 was used as mercury source. Capacity of the U-resin was determined by measuring the mercury concentration difference between the solutions before and after interaction with resin. The measurements were performed colorimetrically with addition of diphenylcarbazide by using UV-vis spectrophotometer. To determine the optimum resin dosage, different amounts of U-resin (0.025 g, 0.050 g, 0.075 g, 0.100 g and 0.125 g) were interacted with 10 mL HgCl2 (0.050 M) in non-buffered conditions. Hg (II) concentrations were measured colorimetrically. Optimum resin quantity was found to be 0.05 g. Mercury loading capacity of the U-resin was investigated for different initial mercury concentrations (0.005 M, 0.010 M, 0.025 M, 0.050 M, 0.075 M and 0.100 M) in non-buffered conditions. The highest capacity was found to be 1.94 mmol/g resin for 0.100 M. To understand the effect of different pHs, mercury sorption experiments were performed with 0.100 M HgCl2 for different pH values (4,5,6,7). Highest capacity was found to be 2.84 mmol/g resin for pH 5. For understanding the mercury selectivity of the U-resin, sorption capacity was found for different metal ions (Cd(II), Zn(II) and Pb(II)). The experiments showed that metal sorption for different metal ions can be considered as minor in comparison with mercury sorption. Kinetic experiments were performed to understand the rate of adsorption. In that regard, mercury sorption experiments were performed for different time intervals. The experiments showed that mercury concentration falls to zero within 60 minutes and capacity of the U-resin exhibited an increase with time. To understand the adsorption kinetics of the resin, two well known kinetic models were used which are pseudo first order and pseudo second order kinetic models. According to study, kinetic data for this adsorption process fitted well to pseudo first order model. For investigation of adsorption mechanism, relations between two phases during adsorption, surface properties and maximum capacity of the adsorbent, adsorption isotherm models were employed. During these experiments, U-resin capacities for different initial mercury concentrations were used. Evaluation of this data was performed by using Freundlich and Langmuir isotherm models, which are widely known isotherm models in literature. According to the results, the data fitted well to Freundlich isotherm model. To understand the regenerative properties of the U-resin, which is significant for industrial applications, regeneration of loaded resin was performed with glacial acetic acid. Desorption capacity was found to be 1.90 mmol/g and the loading capacity after desorption was determined as 1.70 mmol/g resin.
Benzer Tezler
- Synthesis of urethane functional polymeric resin and ınvestigation of ıts HeAVY metal sorption properties
Üretan fonksiyonlu polimerik reçinenin sentezlenmesi ve ağir metalleri adsorplama özelliklerinin i̇ncelenmesi
TUĞBA BUĞDAYCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Bazı floresans Bodipy türevlerinin sentezi ve metal hassasiyet özelliklerinin araştırılması
Synthesis of some fluorescent Bodipy derivatives and investigation of metal sensitivity properties
EMİNE BAĞCI
- Pridin ve kinolin grupları içeren yeni schiff base türevlerinin sentezi, spektroskopik özelliklerinin ve biyolojik aktivitelerinin incelenmesi
Synthesis of new schiff base derivatives containing pyridine and quinoline groups and investigation of their spectroscopic and biological activities
PELİN YEŞİLDAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
KimyaKaramanoğlu Mehmetbey ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEVLÜT BAYRAKCI
- Yeni bir fotobaşlatıcı olarak 5-tiya-pentasen-14-on'un sentezi, karakterizasyonu ve fotopolimerizasyonunun incelenmesi
The synthesis and characterization of 5-thia-pentasen-14-one as a new photoinitiator and investigation of it's role in photopolymerization
DEMET KARACA BALTA
- Moleküler ve polimerik benzoin temelli fotobaşlatıcıların sentezi ve fotofiziksel özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of molecular and polymeric benzoin based photoinitiators and investigation of photophysical properties
DUYGU SEVİNÇ ESEN