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
- Tez No: 667000
- 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: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Metaller biyolojik hayatın ve ekosistemlerin devamlılığı açısından oldukça önemlidir. Sodyum (Na), potasyum (K), kalsiyum (Ca) ve magnezyum (Mg) gibi metaller birçok canlı için önemlidir. Ancak ağır metaller insanlar için toksik özellik gösterir ve çevre için risk teşkil eder. Yoğunluğu 5'e eşit veya 5'ten büyük olan bu metaller“ağır metaller”olarak bilinirler. Örneğin, manganez (Mn), demir (Fe), bakır (Cu), kobalt (Co) ve çinko (Zn), canlılar için önemli olan ancak fazla miktarlarda toksik etki gösteren ağır metallerden bazılarıdır. Öte yandan, arsenik (As), kurşun (Pb), cıva (Hg) ve kadmiyum (Cd) gibi ağır metaller düşük konsantrasyonlarda bile toksik etki göstermekle birlikte, yüksek konsantrasyonlarda ölümcül etki gösterirler. Cıva (Hg), -38,8°C erime noktası ve 356,7°C kaynama noktası ile bu toksik ağır metallerin en önemlilerinden biridir. Çevreyi kirleten metallerin başında gelen cıva, doğadaki cıva döngüsü içinde elementel (Hg0), inorganik (Hg+ and Hg2+) ve organik (metil, etil ve fenil cıva) cıva formlarında bulunmaktadır. Cıva, doğal kaynaklı veya insan kaynaklı olmak üzere iki türlü doğaya salınabilir. Volkanlar, yangınlar ve jeotermal sistemler cıvanın doğal kaynaklarına örnek olarak verilebilir. Bunun yanında, altın madenciliği, batarya üretimi, fosil yakıtların kullanımı, metal ve çimento üretimleri ve termometreler gibi insan kaynaklı bazı faaliyetler ve ürünler de cıvanın doğaya salınması için birer kaynaktır. İnsanlar, hayvanlar ve bitkiler birçok farklı yoldan cıvaya maruz kalabilirler. Balık ve diğer deniz ürünlerinin düzenli olarak tüketimi, en önemli cıva maruziyeti yollarından biridir. Gıdalarla vücuda alınan cıvanın günlük ortalamasının yaklaşık 2-20 µg olduğu düşünülmektedir ve deniz ürünlerini fazla tüketen insanlar için bu miktar çok daha fazladır. Bunun dışında, içme suları, solunan hava, amalgam diş dolguları ve cilt beyazlatıcı kremler gibi cıva içeren tıbbi ve kozmetik ürünler, cıvanın farklı formlarına maruz kalınmasına neden olur. İnsan vücuduna alınan cıvanın miktarı, saç, idrar, kan ve kordon kanından alınan örneklere yapılan çeşitli testlerle belirlenebilir. Cıva insan vücudunda sitotoksik, nörotoksik, nefrotoksik ve immünotoksik etkilere sahiptir. Cıvanın bütün formları toksiktir ve insan vücuduna girdikten sonra, dışarı atılma oranları çok düşüktür. Cıva, böbrekler başta olmak üzere, karaciğer ve nörolojik dokularda ciddi hasarlar yaratır. Cıvanın yüksek miktarlı alımı, ölüme sebep olur. Öyle ki, 1956 ve 1965 yıllarında Japonya'da cıva maruziyetine bağlı bir salgın literatüre geçmiştir. Denge kaybı, konuşma ve işitme güçlüğü, duyu ve hareket bozukluğu, görme alanının daralması gibi belirtilerle ortaya çıkan bu hastalık,“Minamata hastalığı”olarak bilinir ve o tarihlerde birçok insanın ölümüne sebep olmuştur. İnsan kaynaklı ürün ve faaliyetlere bağlı cıva emisyonlarının dünya genelinde yaklaşık olarak 2000 ton/yıl olduğu tahmin edilmektedir. Atmosfere yapılan antropojenik emisyonların %56'sından Çin, Hindistan, Endonezya, Güney Afrika, Kolombiya, Gana, Rusya ve ABD sorumludur. Topraktaki cıva birikiminin ise global olarak 250-1000 Gg civarında olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, cıvanın yarattığı su kirliliği göz önüne alınarak, ABD Çevre Koruma Ajansı tarafından içme sularındaki maksimum cıva seviyesinin 2 µg/L olması gerektiği belirlenmiştir. Cıvanın sebep olduğu bu çevresel etkilerin boyutları düşünüldüğünde, cıva kirliliğinin giderilmesi oldukça önemli ve dikkat çekici bir araştırma konusudur. Bu zamana kadar cıvanın giderilmesinde birçok farklı yöntem denenmiş ve kullanılmıştır. Kimyasal çöktürme, membran ayırma, iyon değiştirme, biyolojik ayırma ve adsorpsiyon bunlardan bazılarıdır. Tüm bu yöntemlerin içinde, adsorpsiyon yaygın olarak kullanılanlardan biridir. Basit bir yöntem olması, düşük maliyeti, ağır metal giderimindeki verimliliği ve tersinir olması dolayısıyla ağır metalin geri kazanımına ve aynı zamanda adsorbentin tekrar kullanımına izin vermesi bu yöntemin avantajları olarak sayılabilir. Çözeltilerden cıva giderimi açısından bakıldığında adsorpsiyon, adsorbent yüzeyindeki fonksiyonel gruplar ile çözelti içerisindeki cıva iyonlarının kimyasal ve fiziksel etkileşimlerinden ibarettir. Sıcaklık, adsorbatın başlangıç konsantrasyonu ve pH adsorpsiyon prosesini etkileyen en önemli parametrelerdir. Adsorbatın ve adsorbentin kimyasal nitelikleri de adsorpsiyonu oldukça etkiler. Adsorbentin yüzey alanı, por hacmi ve partikül boyutu, adsorpsiyon prosesi açısından dikkate alınmalıdır. Ayrıca, adsorbentin hazırlanışında kullanılan materyal ve metotların ucuz olması ve adsorbentin rejenerasyon kabiliyeti, değerlendirilmesi gereken diğer faktörlerdir. Aktif karbon, pirinç samanı, ceviz kabuğu, kitosan ve lignin gibi farklı kaynaklardan elde edilmiş biyoadsorbentler, silikatlar, killer ve polimerler, cıva adsorpsiyonu uygulamalarında adsorbent materyali olarak kullanılabilir. Özellikle de, spesifik fonksiyonel gruplara sahip polimerik adsorbentler, cıva gideriminde çokça kullanılmaktadır. Cıva seçimli polimerik sorbentlerde amin, amid ve tiyol grupları fonksiyonel grup olarak sıklıkla kullanılır. Ağır metal giderimi çalışmalarında yüksek verime sahip olmaları ve rejenerasyona uygun olmaları, polimerik adsorbentlerin en önemli avantajlarıdır. Bu tezde, vinil benzil klorür (%90) ve EGDMA (%10)'nın süspansiyon polimerizasyonu ile çapraz bağlı bir polimerik reçine hazırlanmıştır. Elde edilen polimerik sorbent (PVBC), dietanolamin ile aminlenmiştir. Aminlenmiş olan reçine, DMF varlığında ve dibütiltin dilaurat katalizörlüğünde bütil izosiyanat ile reaksiyona sokulmuştur. Böylece üretan fonksiyonlu polimerik reçine (PS-UR-reçine) elde edilmiştir. PS-UR-reçine, FTIR ve analitik yöntemlerle karakterize edilmiştir. Sulu çözeltilerden cıvanın PS-UR-reçine ile adsorpsiyonu, farklı koşullarda çalışılmıştır. Tüm adsorpsiyon deneyleri oda sıcaklığında yapılmıştır ve cıva çözeltilerinin hazırlanmasında HgCl2 tuzu kullanılmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, 0,050 g-0,125 g arasındaki kütlelerde PS-UR-reçineler, cıva çözeltisi ile 24 saat boyunca etkileştirilmiş ve optimum reçine miktarı 0,075 g olarak bulunmuştur. Tüm adsorpsiyon deneylerinde bu reçine miktarı kullanılmıştır. Sonrasında, PS-UR-reçine, farklı cıva başlangıç konsantrasyonlarındaki çözeltilerilerle (0,005 M-0,100 M) 24 saat boyunca etkileştirilmiştir. Cıva başlangıç konsantrasyonu arttıkça, reçinenin cıva tutma kapasitesinin arttığı gözlemlenmiş ve maksimum cıva tutma kapasitesi 2,50 mmol.g-1 olarak bulunmuştur. Çalışmanın ikinci kısmıda, Freundlich, Langmuir ve Temkin adsorpsiyon izotermleri, PS-UR-reçinenin cıva adsorplama davranışının özelliklerini belirlemek amacıyla incelenmiştir. Sonuç olarak, PS-UR-reçinenin Langmuir adsorpsiyon izotermine uygun davrandığı görülmüştür. Bunun yanında, reçinenin cıva adsorpsiyonu açısından kinetik davranışını belirleme çalışması yapılmıştır. Bunun için düşük cıva konsantrasyonuna sahip çözeltilerle (1.0x10-4 M), 0,025 g PS-UR-reçine en uzunu 1 saat olmak üzere farklı sürelerde etkileştirilmiştir. Zaman ilerledikçe reçinenin cıva adsorplama kapasitesinin arttığı ve nihayetinde sabitlendiği görülmüştür. Bu çalışmada, reçine için yalancı birinci dereceden, yalancı ikinci dereceden ve parçaçık içi difüzyon kinetik modelleri uygulanmış ve PS-UR-reçinenin yalancı ikinci dereceden kinetik modeline uygun davrandığı bulunmuştur. Çalışmanın son kısmında, 0,100 M cıva çözeltisiyle önceden etkileştirilmiş yüklü reçine, asetik asit ortamında 1,5 saat boyunca karıştırılarak desorpsiyon çalışması yürütülmüştür. Bu çalışma sonucunda, 2,32 mmol.g-1 cıvanın geri kazanıldığı bulunmuş ve PS-UR-reçinenin iyi bir rejenerasyon yeteneğine sahip olduğu ve tekrar tekrar kullanılabileceği görülmüştür. Son olarak, PS-UR-reçine Zn2+, Pb2+ ve Cd2+ iyonlarını içeren 0,100 M'lık çözeltilerle 24 saat boyunca etkileştirilmiştir. PS-UR-reçinenin cıva dışındaki bu ağır metalleri adsorplama özelliğinin çok düşük olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Metals are very important for continuity of life and ecosystems. For instance, sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca) and magnesium (Mg) are essential for many organisms. However, some metals show toxic properties for the humans and pose a hazard for the environment. They are named“heavy metals”and have a density equal to or greater than 5. Manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co) and zinc (Zn) are some of the heavy metals that are essential for life but they can be toxic in case of high amount of exposure. On the other hand, arsenic (As), lead (Pb), mercury (Hg) and Cadmium (Cd) are nonessential and toxic heavy metals. They have very negative effects at low concentrations and can be lethal at high concentrations. Mercury (Hg) is one of the toxic heavy metals with −38.8°C melting point and 356.7°C boiling point. As a leading environmental pollutant, mercury exists in elemental (Hg0), inorganic (Hg+ and Hg2+) and organic (methyl, ethyl and phenyl mercury) forms in the environmental mercury cycle. Mercury is released to the environment by volcanoes, fires, geothermal systems. Also, gold mining, production of batteries, switches, thermometers and fossil fuel combustion are some anthropogenic sources of mercury. Humans, animals and plants can be exposed to mercury by different ways. Dietary consumption of fish and other seafoods is an important source for exposure. Besides, drinking water, ambient air, dental amalgam fillings and medical/cosmetic products containing mercury are the other sources of exposure to mercury forms. Mercury causes many damages on mostly kidneys, the liver and neurological tissues. At high amounts, exposure to mercury leads to death. The global Hg emission by anthropogenic sources is predicted as about 2000 tonnes/year. Furthermore, maximum mercury level in drinking water should be 2 µg/L according to the US Environmental Protection Agency. Therefore, treatment of mercury pollution and removal of mercury are considerable topics for research. Various methods have been reported until today for removal of mercury such as chemical precipitation, membrane separation, ion exchange and adsorption. Among these methods, adsorption is considered as a remarkable technique due to its simplicity, low cost, reversibility and removal efficiency. In terms of removal of mercury from solutions, adsorption is all about chemical and physical interactions among the functional groups on the adsorbent surface and mercury in the solution. Temperature, initial adsorbate concentration, pH and chemical nature of the adsorbate and adsorbent are the factors that affect the adsorption process. Activated carbon, bioadsorbents obtained from different sources, silicates, clays and polymers can be used as adsorbent materials for removal applications of mercury. In particular, polymeric adsorbents with specific functional groups are very important materials used for the removal of mercury. Polymeric adsorbents have high efficiency in heavy metal removal and can be regenerated. Amines, amides and thiols are the functional groups often used in mercury selective polymeric sorbents. In this thesis, a cross-linked polymeric resin was prepared by suspension polymerization of vinyl benzyl chloride as a monomer EGDMA as a crosslinker. Prepared polymer (PVBC) is modified with diethanolamine to obtain aminated resin. Then, the aminated resin was reacted with butyl isocyanate in the presence of DMF and dibutyltin dilaurate (DBTL) as a catalyst to obtain urethane modified resin (PS-UR-resin). The PS-UR-resin was characterized by FTIR and analytical methods. Mercury adsorption from aqueous solutions were studied at different conditions. HgCl2 salt was used in all adsorption experiments at room temperature. In the first part of the study, optimum amount of PS-UR-resin was found 0.075 g resin and used for Hg(II) sorption experiments. In the sorption experiments depending on different initial mercury concentration, maximum mercury loading capacity of the PS-UR-resin was 2.50 mmol.g-1 at non-buffered conditions. Moreover, pH=7 was determined as optimum pH for maximum mercury sorption capacity among different pH mediums. In the second part of the study, Freundlich, Langmuir and Temkin adsorption isotherm models were examined for mercury sorption of PS-UR-resin. Pseudo-first, pseudo-second and intra-particle diffusion kinetics models were applied to the PS-UR-resin. In the last part of the study, amount of mercury, which was recovered from the loaded resin, is 2.32 mmol.g-1 indicating regeneration ability of PS-UR-resin. Furthermore, sorption capacities of PS-UR-resin were investigated for different heavy metal ions.
Benzer Tezler
- UV-ışınları ile sertleştirilen polimerik filmlerin hazırlanması, karakterizasyonu ve uygulama alanları
The Preparation, the characterization, and various applications of UV-cured polymeric films
ATTİLA GÜNGÖR
- Synthesis and characterization of organic-inorganic hybrid materials
Organik-inorganik hibrit malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu
MÜFİDE DURİYE KARAHASANOĞLU
Doktora
İngilizce
2015
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
- Preparation of urethane modified poly(styrene) based resin for removal of phenol
Fenol giderilmesi için poli(stiren) bazlı modifiye üretan reçinelerinin haırlanması
SİNEM ERKMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Atık polietilentereftalattan özel blok kopolimerler ve çevre dostu alkid reçine üretimi
Production of special block copolymers and environmental friendly alkyd resins from PET wastes
OĞUZ MECİT
