Preparation of polyacrylonitrile grafted onto nano-clay for removal of aluminum from aqueous solutions
Poliakrilonitril aşılanmış nano-kil sentezi ve alüminyumun sulu ortamlardan uzaklaştırılmasında kullanılması
- Tez No: 713424
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Ağır metaller, periyodik tablodaki 5 g.cm− 3' ten büyük özağırlığa sahip metaller veya yarı metallerdir. Canlı vücudunda bu ağır metallerden bazılarının eser miktarda bulunması biyoloji ve metabolizma açısından zararlıdır. Vücuda alınan fazla miktardaki ağır metaller toksik etkisi meydana getirmektedir. Kurşun (Pb) ve kadmiyum (Cd) gibi çok toksik metaller insan vücudunun hiç ihtiyaç duymadığı ve bunun yanı sıra mutajenik ve kanserojenik etkiye sahip olan ağır metallerdir. Toksik metallerin vücuda alınması içme suları, gıdalar ve solunan hava gibi birkaç şekilde gerçekleşebilir. Vücuda giren bu metallerin olumsuz etkisi hızlı veya yavaşbir şekilde açığa çıkmaktadır. Ya direkt etki ederek zehirlenme gibi vakalar meydana gelir ya da vücutta yıllar boyunca birikmesi sonucunda farklı hastalıkların oluşmasına yol açar. Hatta hamile kişilerde de yenidoğan bebekleri bu toksik metallerden etkilenir. Al metali düşük yoğunluklu, korozyona karşı oldukça dirençli, kolaylıkla işlenebilir ve üstün iletkenliğinin olması gibi birçok avantajlı özelliklere sahiptir. Yeryüzünde bolluk açısından üçüncü metal olan IIIA grubuna ait olan Alüminyum (Al) toksik bir metaldir. Günlük hayatta çok sık karşılaşılan bir metal olan Al, yiyecek ve içeceklerden, kullanılan ilaçlardan, yemek pişirme gereçlerinden ve terleme önleyici kozmetik ürünlerinden vücuda alınmaktadır. Canlı vücudunda bulunan Al önemli bir biyolojik işleve sahip değildir bu nedenle vücutta biriktiğinde olumsuz etkileri beraberinde getirmektedir. Geçmişte yapılan araştırmalar ve çalışmalar sonucunda Al' un tüm organlara özellikle merkezi sinir ve sindirim sistemlerine etki ederek ciddi sağlık sorunlarına yol açtığı anlaşılmıştır. Bu problemlerden en önemlileri Alzheimer ve Parkinson gibi nörodejeneratif kaynaklı hastalıklardır. Bu hastalıklardan ölen kişilerin ardından yapılan araştırmalar sonucunda beyinlerinde çok fazla miktarda Al bulunduğu saptanmıştır. Günlük hayatta Al' un aşırı kullanımı, bunların dışında beyin kanaması, anemi ve ortopedik rahatsızlıkların ortaya çıkmasına da neden olmaktadır. Büyük çoğunluğunu ağır metallerin oluşturduğu kirleticiler, doğadaki tüm canlılara ve çevreye vermiş olduğu toksik etkilerden dolayı günümüzde büyük endişe kaynağı haline gelmiştir. Bu kirliliğin oluşmasına sebep olan etmenlerden biri de Al kaynaklı sanayi sektörüdür. Bunun nedeni oldukça toksik olan endüstriyel atık suların kanalizasyona boşaltılmadan önce doğru şekilde işlenmemiş veya arıtılmamış olmasıdır. Bahsedilen tüm sebeplerden dolayı ağır metal içeren kirleticilerin atık sulardan uzaklaştırılması sağlık açısından büyük önem arz etmektedir. Bu durum, atık sulardan zararlı metallerin giderilmesi ile ilgili birçok çalışma yapılmasına ve yeni arıtma teknolojilerinin ortaya çıkmasına katkı sağlamıştır. Ağır metal sınıfına ait olan Al' un sulu çözeltilerden uzaklaştırılması için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden en yaygın olanları kimyasal çöktürme, iyon değişimi, elektrokoagülasyon, membran filtrasyon ve adsorpsiyondur. Arıtma yöntemlerinin çoğunun kullanılan ekipmanların yüksek maliyetli olması, işlem sonrası oluşan çamurun giderilme zorluğu ve metalin geri dönüştürülememesi gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bu nedenle, atık sulardan ya da sulu çözeltilerden Al uzaklaştırmak için maliyeti düşük olan alternatif yöntemlerin kullanımına ihtiyaç duyulmuştur. Bu alternatif yöntemlerden biri de adsorpsiyondur. Bu yöntem, diğer arıtma teknolojileri ile karşılaştırıldığında düşük maliyet, kolay uygulanabilirlik, metalin geri dönüştürülebilirliği, çevre dostu, yüksek verim ve kullanılan adsorbentin çeşitliliği ve yenilenebilir olması gibi çeşitli avantajlara sahiptir. Adsorpsiyon, akışkan bir sıvı içinde çözünmüş bir veya daha fazla maddenin atomlarını veya moleküllerini kimyasal veya fiziksel bir kuvvetle katı bir yüzeye bağlayarak yüzey konsantrasyonunu artıran bir yapışma kuvveti türüdür. Adsorpsiyon sürecinin gerçekleştiği katı yüzeye ''adsorbent'' veya '' adsorban'', katı yüzeye tutunan ve konsantrasyonu artan maddeye ''adsorbat'' veya ''adsorplanan madde'' denir. Adsorpsiyon işleminin tersi olarak tanımlanan desorpsiyon da adsorbente tutunan maddelerin ortama geri verilmesi sonucu yüzey konsantrasyonunun azalmasıdır. Adsorban ile adsorbat arasındaki çekim kuvvetlerine göre fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki tür adsorpsiyon vardır. Fizisorpsiyon olarak da bilinen fiziksel adsorpsiyonda, adsorbat ile adsorban arasındaki etkileşimler zayıf Van der Waals kuvvetleridir. Burada adsorbat katı yüzey üzerinde hareket halindedir ve bu tür adsorpsiyon tersinirdir. Fiziksel adsorpsiyon düşük sıcaklıkta gerçekleşir ve aktivasyon enerjisine ihtiyaç duymaz. Çok katmanlı bir adsorpsiyondur. Kimyasal adsorpsiyon aynı zamanda kemisorpsiyon olarak da bilinir ve katı yüzey ile adsorbat arasında yavaş bir şekilde meydana gelen güçlü kimyasal bağ oluşumu ile gerçekleşir. Bu tür adsorpsiyonun geri diönüşümü mümkün değildir. Burada adsorplanan madde adsorban üzerinde hareketsizdir. Kimyasal adsorpsiyonun gerçekleşmesi için aktivasyon enerjisi ve yüksek sıcaklık gereklidir. Bir tür tek tabakalı adsorpsiyondur. Adsorpsiyon kinetiğine pH, sıcaklık, karıştırma hızı, adsorbanın yüzey alanı ve adsorplanan maddenin çözünürlüğü gibi birçok faktör etki eder. Adsorpsiyonda ortamın pH' ı süreci etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Ortamda bulunan H3O+ ve OH- iyonları güçlü bir şekilde adsorbe edilir, bu nedenle ortamdaki diğer iyonların adsorpsiyonu çözeltinin pH' ından etkilenir. Daha güvenilir sorpsiyon sonuçları elde etmek için ortamın pH' ını kontrollü bir şekilde arttırmak gerekmektedir. Genel olarak bakıldığında, sıcaklığın artması ile adsorpsiyon boyutu da artmaktadır. Ekzotermik bir sürece sahip adsorpsiyonda ise, azalan sıcaklık ile adsorpsiyonda artış meydana gelmektedir. Karıştırma hızı da adsorpsiyonu etkileyen bir diğer faktördür. Karıştırma hızının artması ile adsorplanan madde ile adsorban arasındaki etkileşim artar ve bunun sonucunda da adsorpsiyonda artış meydana gelir. Adsorpsiyon işlemi yüzeyde gerçekleşir ve dolayısıyla adsorpsiyon boyutu ile yüzey alanı arasında bir ilişki bulunmaktadır. Adsorbanın geniş yüzey alanına ve büyük gözenek hacmine sahip olması iyi bir adsorpsiyon için olması gereken koşullardır. Adsorpsiyon sürecinde en yaygın kullanılan adsorbentlere doğal killer, aktif karbon, silika (SiO2), alümina (Al2O3) ve zeolitler örnek olarak verilebilir. Adsorpsiyon için doğal killer harika adsorbanlardır. Killerin en önemli özelliklerinden biri geniş yüzey alanına sahip olmasıdır. Ayrıca killer ucuzdur ve üstün iyon değiştirme kapasitesine sahiptir. Kil minerallerinin suyu absorplama özelliğinden dolayı nemli bir yapısı bulunmaktadır. Çeşitli polimerler ile yapılan polimerik killer birçok sentez ve adsorpsiyon sürecinde avantaj sağlamaktadır. Bir diğer faktör de adsorbatın çözünürlüğüdür. Adsorpsiyonda molekül, çözücüsünden ayrılarak adsorbana tutunur. Adsorbatın çözünürlüğünün yüksek olması katı yüzey ile çözelti arasındaki bağın kuvvetini arttırır. Bu durum da adsorpsiyonun boyutunun artmasını sağlar. Bu çalışmada Alüminyumun sulu çözeltiden uzaklaştırılması için adsorpsiyon yönteminin uygulanması uygun görülmüştür. Bu tezde, yeni bir PAN aşılanmış nano-kil sorbenti sentezlenmiştir. 1.095 g (0.006 mol) hidrofilik bentonit nanokil, 5 mL distile su ile ıslatıldı. Ayrı bir beherde, redoks polimerizasyonunda başlatıcı olarak kullanılan 0.8 g (0.001 mol) amonyum seryum (IV) nitrat, 1 mL (0.024 mol) nitrik asit varlığında, 15 mL distile su ile çözülmüştür. Bu karışım ıslatılmış kile ilave edildi ve polimerizasyon ortamına 10 mL (0.152 mol) akrilonitril ve 15 mL (0.287 mol) asetonitril konuldu. Aşı polimerizasyonu, oda sıcaklığında 18 saat boyunca gerçekleştirildi. Saf nanokil ve polimerik kil, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ile karakterize edilmiştir. Ayrıca, polimerik sorbentin Alüminyum tutma kapasitesi, sorpsiyon çalışmaları ile spektrofotometrik olarak karakterize edilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında, 0.025 g ile 0.15 g arasındaki farklı sorbent miktarları, Al3+ çözeltisi ile oda sıcaklığında 24 saat boyunca etkileştirilmiş ve deneysel veriler sonucunda optimum sorbent miktarı 0.050 g olarak bulunmuştur. Tüm sorpsiyon çalışmalarında bu reçine miktarı kullanılmıştır. Sonrasında, 0.050 g sorbent, 2–50 ppm arasındaki farklı Al3+ başlangıç konsantrasyonlarındaki çözeltilerle oda sıcaklığında 24 saat boyunca etkileştirilmiştir. Sorbentin maksimum Al tutma kapasitesi 1.43 mg/g olarak bulunmuştur. Tüm adsorpsiyon işlemlerinden sonra süzülen çözeltideki Al konsantrasyonu reaktif olarak eriochrome cyanine R (ECR) kullanılarak pH 6' da, 535 nm dalga boyunda UV-vis spektrofotometre kullanılarak spektrofotometrik yöntemle tayin edilmiştir. Ayrıca Al giderme çalışmaları pH' a bağlı olarak da gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın son kısmında, sentezlenen polimerik kilin sulu çözeltilerdeki Alüminyum adsorpsiyon hızı araştırılmıştır. Kinetik çalışma 25 °C ile 50 °C arasında dört farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. 0.050 g sorbent, Al+3 çözeltisi ile etkileştirilmiştir. 2-60 dk. arasında belirlenen farklı aralıklarda alınan numuneler ile zamana karşı kapasite değişimi incelenmiştir. Ayrıca kinetik çalışma sonrasında elde edilen deneysel sonuçlara göre kinetik modeller uygulanmış ve adsorpsiyon izoterm modelleri de araştırılmıştır. Bu çalışmaya uygulanan kinetik modellerin sonuçları karşılaştırıldığında, yalancı birinci mertebe kinetik modelin korelasyon katsayı değerleri (R2), yalancı ikinci mertebeden kinetik modelin R2 değerlerinden daha düşüktür. Buradaki yüksek korelasyon katsayı değerleri, deney sonucunda elde edilen verilerin yalancı ikinci dereceden kinetik modele daha iyi uyum gösterdiğini ortaya koymuştur. Bu çalışmada Langmuir ve Freundlich izoterm modelleri incelenmiş olup, deneysel sonuçların Langmuir izoterm modeline uyduğu belirlenmiştir. Adsorpsiyon işleminden sonra polimerik sorbentin yeniden kullanılabilirliğini araştırmak için desorpsiyon yapılmıştır. Bu çalışma için 0.050 g polimerik kil Al3+ çözeltisi ile oda sıcaklığında 2 saat boyunca etkileştirilmiştir. Adsorpsiyon tamamlandıktan sonra, desorpsiyon için Alüminyum yüklü sorbent, 0.1 M NaOH çözeltisi ile oda sıcaklığında 24 saat boyunca etkileştirilmiştir. Desorpsiyon işlemi de tamamlandıktan sonra, bu adsorpsiyon-desorpsiyon süreci toplamda dört kez tekrarlanmıştır. Elde edilen deneysel veriler, adsorpsiyon çalışmalarında PAN aşılı kilin Al uzaklaştırmak için tekrar tekrar kullanılabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Heavy metals are extremely carcinogenic and show mutagenic properties when taken into the body. Aluminum (Al) is a toxic metal that is frequently encountered in daily life and can be taken into the body through drinking water, food, drugs and the air we breathe. Aluminum-based pollutants are found in the wastewater of many industrial sectors such as textile, plastic and food. Removal of toxic pollutants from wastewater has a significant role in terms of health and environment. As a result of many studies on the removal of heavy metals from wastewater, new treatment methods have been discovered. Adsorption is used as the most reliable method preferred for Aluminum among these methods. Polymeric clays are preferred more often than natural clays as adsorbent in the removal of heavy metal-derived pollutants such as Al from wastewater by adsorption method. Polymeric adsorbents with high adsorption capacity and large surface area are obtained by polymerizing functional groups in the structure of the clay and polymer types with desired properties. It has been determined by the studies on this subject that the adsorption ability of the clay is increased by forming a new sorbent with a suitable polymer. In this thesis, a new PAN grafted onto nano-clay was synthesized. 1.095 g (0.006 mole) hydrophilic bentonite nanoclay was wetted with 5 mL of distilled water. In a separate beaker, 0.8 g (0.001 mole) ammonium cerium (IV) nitrate used as initiator in redox polymerization was dissolved with 15 mL of distilled water in the presence of 1 mL (0.024 mole) nitric acid. This mixture was added to the wetted clay and the 10 mL (0.152 mole) of acrylonitrile and 15 mL (0.287 mole) of acetonitrile was put the polymerization medium. The graft polymerization was performed at room temperature for 18 h. Pure nano-clay and polymeric nano-clay were characterized by FTIR analysis. In addition, the Aluminum holding capacity of the polymeric nano-clay was characterized spectrophotometrically by sorption studies. In this study, Eriochrome Cyanine R (ECR) was used as a reagent in Al sorption experiments and all analytical measurements were carried out at pH 6 and using a UV-vis spectrophotometer at 535 nm. Al removal experiments were carried out depending on pH. Furthermore, Al removal studies from aqueous solutions using PAN grafted onto nano-clay as adsorbent were carried out at four different temperatures between 25 °C and 50 °C. In addition, according to the results obtained after the sorption study, kinetic models were applied and adsorption isotherm models were also investigated. When we look at the results of the kinetic models applied in this study, high correlation coefficient values here revealed that the data obtained as a result of the experiment showed a better fit with the pseudo second-order kinetic model.
Benzer Tezler
- Glisidil metakrilat ve p-fenilendiaminin poliakrilonitril lif yüzeylerine aşılanması ile yüzey özellikleri geliştirilmiş aşı kopolimer liflerin hazırlanması, karakterizasyonu ve bazı özelliklerinin incelenmesi
The preparation, characterization and investigation of some properties graft copolymer fibers with improved surface properties by grafting of glycdyl methacrylate and p-phenylenediamine onto polyacrylonitrile fibers
NİHAN SEVEN EROĞLU
- Hemodiyaliz amaçlı poliakrilonitril membranlar hazırlanması
Preparation of polyacrylonitrile membranes for hemodialysis application
GAMZE BEHMENYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL TANTEKİN (ERSOLMAZ)
- Elektro-eğirme yöntemi ile nanofiber ve nanotüp üretimi
Production of nanofibers and nanotubes by electrospinning
ASLIHAN SÜSLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Metalurji MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜMİT CÖCEN
- Effect of carbon nanotubes and polyaniline on the properties of polyacrylonitrile/carbon nanotubes composite nanofibers
Poliakrilonitril/karbon nanotüp kompozit nanolif özellikleri üzerine karbon nanotüp ve polianilin etkisi
OLCAY EREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HACER AYŞEN ÖNEN
- Synthesis, characterization and applications of fluorine containing maleimide polymers
Flor içeren maleimid polimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları
İPEK KAYALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA ÇAKIR ÇANAK