PC88A içeren polimer içerikli membranların karakterizasyonu ve kristal viyole giderimi
Characterization and crystal violet removal of polymer inclusion membranes containing PC88A
- Tez No: 986181
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYNUR MANZAK, DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN YILDIZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizikokimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kristal viyole gibi katyonik boyar maddeler sulu ortamlarda ciddi çevresel ve biyolojik riskler oluşturmaktadır. Özellikle endüstriyel atıklardan kaynaklanan bu kirleticiler, su kaynaklarının doğal dengesini bozmakta, canlı yaşamını tehdit etmekte ve içme suyu güvenliğini riske atmaktadır. Kristal viyole, suda çözündüğünde ışık geçirgenliğini azaltarak fotosentetik organizmaların yaşam döngüsünü sekteye uğratmakta; bu da fotosentezin azalmasına, oksijen üretiminin düşmesine ve hipoksik koşulların gelişmesine yol açmaktadır. Aynı zamanda kristal viyolenin insan sağlığı üzerinde uzun vadeli etkileri deri ve göz iritasyonlarından, solunum yolu problemlerine ve hatta retinada hasara varabilen toksik etkileri içerebilmektedir. Bu nedenlerle bu tip kirleticilerin sudan etkin ve seçici bir şekilde uzaklaştırılması, sürdürülebilir su yönetimi ve çevresel koruma açısından büyük önem taşımaktadır. Kimyasal oksidasyon, fotokataliz, çöktürme, koagülasyon ve ultrafiltrasyon gibi yöntemler genellikle boya giderimi için kullanılan başlıca yöntemler arasındadır. Ancak bu işlemlerden sonra elde edilen su hâlâ ileri arıtma gerektirmektedir. Alternatif olarak, solvent ekstraksiyon, emülsiyon tipi sıvı membran (ELM), destekli sıvı membran (SLM) ve diğer ayırma teknolojileri, boya giderimi için uygulanmıştır. ELM de emülsiyonun kırılması ve şişmesi çalışma koşullarının optimize edilmesini zorlaştırır. Emülsiyon kararlılığı ELM ve SLM' lerin temel sorunudur. Bu sorunların olmadığı, pahalı ekstraktantların ve çözücü miktarının çok az kulanıldığı PIM'ler, çevre dostu ve ekonomik olması sebebiyle, polimer içerikli membranlarının (PIM'ler) uygulanmasına olan ilgiyi artırmıştır. PIM'leri diğer proseslerden ayıran en önemli özellik, organik taşıyıcıların polimer yapısı içerisinde dağılması ve böylece artan taşıma verimidir. Ayrıca, yüksek seçiciliği, basit uygulanabilirliği, düşük enerji tüketimi vb. nedeniyle hem hedef iyonlarının ayrılmasında hem de saflaştırılmasında büyük avantaj sağlamaktadır. Ayrıca, membranların tekrar kullanılabilirliği ve büyük yüzey alanı/hacim oranı, bu prosesin endüstriyel kullanımlarda diğer proseslere göre daha fazla kullanılmasını sağlayacak önemli bir özelliktir. Bu çalışmada, bis(2-etilheksil) fosforik asit (PC88A) ve tri butil fosfat (TBP) katkılı polimerik membranlar geliştirilerek, kristal viyole boyasının sulu çözeltilerden uzaklaştırılmasına giderimleri detaylı biçimde incelenmiştir. Literatürdeki PC88A'nın kullanımı genellikle hidrometalurjik uygulamalar ve solvent ekstraksiyon sistemleri ile sınırlı kalmıştır. Bununla birlikte, PC88A'nın katyonik karaktere sahip kristal viyole boyasının giderimi üzerine literatürde doğrudan bir çalışma bulunmamaktadır. TBP ise ekstraksiyon verimliliğini artıran, faz transferini kolaylaştıran ve membran yapısına stabilite kazandıran bir modifiyer olarak tercih edilmiştir. Literatürde genellikle hidrometalurjik süreçlerde kullanılan bu katkı maddelerinin, bu çalışmada ilk defa birlikte bir membran yapısında değerlendirilerek organik boyar maddelerle de seçici etkileşim gösterebileceği ortaya konmuştur. Polimer içerikli membran çözücü içerisinde destek maddesi, organik taşıyıcı ve plastikleştiricinin homojen bir şekilde dağılması ile hazırlandı. Homojen dağılım için mekanik karıştırıcı ve ultrasonik banyo kullanıldı. Membran çözeltisi temizlenen ve kurutulan, düz bir zemine yerleştirilen petri kabına döküldü. Organik çözücünün buharlaşmasının ve kurumasının ardından destile su ile yıkandı. Membran filmi petri kabından çıkartıldı. Membran kalınlığı dijital mikrometre ile ölçülerek 25 μm olarak belirlendi. Membranın performansını değerlendirmek için, kristal viyole numuneleri 590 nm'de UV-Vis spektrofotometre ile ölçülmüştür. Elde edilen bulgular, PC88A katkılı membranların kristal viyole için yüksek kristal viyole giderimi verimi sunduğunu göstermiştir. Membran miktarındaki artışla (1cm2-3cm2) boya giderim verimi 3 saatte %87' den %93' e çıkmıştır. 0,0610 g (2cm2) membran ile 3 saatte % 93,06 boya giderimi gerçekleştirilmiştir. Membran yüzeyinin PC88A ve TBP katkısı ile zenginleştirilmiş olması, yüzeyde asidik fonksiyonel grupların varlığına ve bu grupların hem elektrostatik etkileşimler hem de hidrojen bağları yoluyla katyonik kirleticilerle güçlü bir bağ kurabilmesine olanak tanımıştır. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında hazırlanan membranlar, Termogravimetrik-Diferansiyel Termal Analiz (TG-DTA), Temas Açısı Ölçümü, X Işınları Kırınımı Spektrometresi (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FEG-SEM) ile analiz edilmiştir. DTA-TGA analizinde PC88A içeren membranın kütle kaybı yaklaşık 180 °C civarında başlamıştır. 414°C' de kütle kaybı yaklaşık %80 olmuştur. Temas açısı ölçümleri, tek bir damla için ortalama 10 saniyelik bir süreyle, 10-15 ölçüm kaydı alınarak gerçekleştirildi. Membranın temas açısı yaklaşık 78° değerinde ölçülmüştür. Bu değer membran yüzeyinin hidrofilik olduğunu göstermektedir. XRD analizinde ise membranın amorf bir yapı içerdiği tespit edilmiştir. İlave edilen PC88A miktarı az olduğundan XRD analizinde kristal yapı oluşumu gözlenmedi. FTIR analizlerinde ise; spektrumlarda gözlemlenen bantlar, PC88A ve PVC'nin yapılarının bozulmadan kaldığını ortaya koymaktadır. Membran bileşenleri arasında kimyasal bağlanma yerine fiziksel etkileşim ya da zayıf moleküllerarası etkileşimler ön planda olduğu görülmüştür. Elde edilen bulgular, PC88A-TBP içeren membranların boya giderimi gibi çevresel uygulamalardaki etkinliğini göstermektedir. Membranlarla kristal viyole boyasının sulu çözeltiden %100'e yakın giderimi gerçekleştirilmiştir. Kristal viyole giderimi sonrası FEG-SEM görüntülerinden membran yüzeyinde kıvrımların yoğunluğunun ve düzeninin değiştiği gözlenmiştir. Yüzey daha karmaşık ve yer yer granüler görünmektedir. Bu durum, boyanın yüzeye tutunumuyla ilgili olarak boya moleküllerinin membranda yüzeyle fiziksel etkileşimine işaret etmektedir. Membranların FEG-SEM görüntülerinden PC88A'nın nano-boyutlu kümeler oluşturma eğilimi ile TBP'nin yüzey düzleştirici ve gözenek düzenleyici etkisinin birleşimi, bu membranda daha düzenli ve dalgalı bir nano-yapının oluşmasına yol açmıştır. TBP'nin varlığı, PC88A'nın tek başına gösterdiği düzensiz ve iri partiküler yapının aksine, bu nano-yapıların daha iyi bütünleşmesini ve daha pürüzsüz (makro ölçekte) bir film oluşturmasını sağlamıştır.Sonuç olarak, bu çalışma, PC88A ve TBP içeren polimerik membranların organik kirleticilerin (boyaların) seçici giderimindeki etkinliğini vurgulayan yenilikçi bir yaklaşımdır. Membranların yüksek giderimi kapasitesi, termal kararlılığı ve çok işlevli yapısı, geniş uygulama potansiyeline sahip olması önemli katkılar sunmaktadır. Böylece, PC88A ve TBP'nın geleneksel kullanım alanlarının dışında polimer içerikli membranlarda kullanılabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Cationic dyes such as crystal violet pose serious environmental and biological risks in aqueous environments. These pollutants, especially those originating from industrial wastes, disrupt the natural balance of water resources, threaten life and put drinking water safety at risk. When crystal violet is dissolved in water, it disrupts the life cycle of photosynthetic organisms by reducing light transmittance; this leads to a decrease in photosynthesis, decreased oxygen production and the development of hypoxic conditions. At the same time, the long-term effects of crystal violet on human health can include toxic effects ranging from skin and eye irritation to respiratory problems and even damage to the retina. For these reasons, the effective and selective removal of such pollutants from water is of great importance in terms of sustainable water management and environmental protection. Methods such as chemical oxidation, photocatalysis, precipitation, coagulation, and ultrafiltration are among the primary methods used for dye removal. However, the water obtained from these processes still requires advanced treatment. Alternatively, solvent extraction, emulsion-type liquid membrane (ELM), supported liquid membrane (SLM), and other separation technologies have been applied for dye removal. In ELM, emulsion breakage and swelling make it difficult to optimize operating conditions. Emulsion stability is a key problem with ELMs and SLMs. Polymer inclusion membranes (PIMs), which do not have these problems and use very small amounts of expensive extractants and solvents, have increased interest in the application of PIMs due to their environmental friendliness and cost-effectiveness. The most important feature that distinguishes PIMs from other processes is the dispersion of organic carriers within the polymer structure, thereby increasing transport efficiency. Furthermore, their high selectivity, ease of application, and low energy consumption provide significant advantages in both the separation and purification of target ions. Furthermore, the reusability of membranes and their large surface area-to-volume ratio are important features that will make this process more widely used in industrial applications compared to other processes. In this study, polymeric membranes containing bis(2-ethylhexyl) phosphoric acid (PC88A) and tributyl phosphate (TBP) were developed and the the removal of crystal violet dye from aqueous solutions was investigated in detail. The use of PC88A in the literature has generally been limited to hydrometallurgical applications and solvent extraction systems. However, there is no direct study in the literature on the removal of crystal violet dye with cationic character by PC88A. TBP was preferred as a modifier that increases extraction efficiency, facilitates phase transfer and provides stability to the membrane matrix. These additives, which are generally used in hydrometallurgical processes in the literature, were evaluated together in a membrane matrix for the first time in this study and it was revealed that they can also interact selectively with organic dyes. The polymer inclusion membrane was prepared by homogeneously dispersing the support material, organic carrier, and plasticizer in the solvent. A mechanical stirrer and ultrasonic bath were used to ensure homogeneous dispersion. The membrane solution was poured into a petri dish that was cleaned and dried and placed on a flat surface. After the organic solvent evaporated and dried, it was washed with distilled water. The membrane film was removed from the petri dish. The membrane thickness was determined to be 25 μm, measured with a digital micrometer). To evaluate the performance of the membrane, crystal violet samples were measured with a UV-Vis spectrophotometer at 590 nm. The findings showed that PC88A-containing membranes provided high removal efficiency for crystal violet dye. With the increase in the amount of membrane (1cm2-3cm2), the dye retention efficiency increased from 87% to 93% in 3 hours. 93,06 % dye removal was achieved in 3 hour with 0,0610 g (2cm2) membrane. The enrichment of the membrane surface with PC88A and TBP allowed the presence of acidic functional groups on the surface and the ability of these groups to establish a strong bond with cationic pollutants through both electrostatic interactions and hydrogen bonds. As part of the characterization studies, the prepared membranes were analyzed by Differential Thermal Analysis (TG-DTA), Contact Angle Measurement, X-Ray Diffraction Spectrometry (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM). In the DTA-TGA analysis, the mass loss of the PC88A-containing membrane began around 180°C. The mass loss in 414°C was 80%. Contact angle measurements were performed by recording 10-15 measurements for a single drop, with an average duration of 10 seconds. The contact angle of the membrane was measured at approximately 78°. This value shows that the membrane surface is hydrophilic. In XRD analysis, it was determined that the membrane contained an amorphous structure. Due to the small amount of added PC88A, no crystalline structure formation was observed in XRD analysis. In FTIR analysis, the bands observed in the spectra revealed that the structures of PC88A and PVC remained intact. It was observed that physical interaction or weak intermolecular interactions were at the forefront instead of chemical bonding between the membrane components. The findings demonstrate the effectiveness of PC88A-TBP-containing membranes in environmental applications such as dye removal. Almost 100% removal of crystal violet dye was achieved with PC88A-TBP-containing membranes. FEG-SEM images following crystal violet removal revealed a change in the density and arrangement of folds on the membrane surface. The surface appears more complex and, in some cases, granular. This suggests that there is a physical interaction between the dye molecules and the membrane surface related to the adhesion of the dye to the surface. From FEG-SEM images of the membranes, the combination of PC88A's tendency to form nano-sized clusters and TBP's surface-smoothing and pore-modifying effects resulted in the formation of a more ordered and wavy nanostructure in this membrane. The presence of TBP allowed these nanostructures to integrate better and form a smoother (at the macroscale) film, in contrast to the irregular and coarse particle structure exhibited by PC88A alone. In conclusion, this study represents an innovative approach that highlights the effectiveness of polymeric membranes containing PC88A and TBP in the selective removal of organic pollutants (dyes). The high removal capacity, thermal stability and multifunctional structure of the membranes provide significant contributions to their wide application potential. Thus, it has been shown that PC88A and TBP can be used in polymer inclusion membranes outside of their traditional areas of use.
Benzer Tezler
- Shape-memory semicrystalline interconnected IPNs based on various commercial rubbers
Şekil hafızalı, yarı-kristalin iç içe geçmiş ağ yapılı ticari kauçuklar
ÖZGE AKÇA ZENGİN
- Silk fibroin-based smart organohydrogels
İpek fibroin esaslı akıllı organohidrojeller
ÇİĞDEM BUSE ORAL
