Arsenik baskılanmış nanopartiküllerle çevre sularından arsenik uzaklaştırılması
Arsenic removal from environmental waters with arsenic imprinted nanoparticles
Yazar: VEYİS KARAKOÇ
Danışman: PROF. DR. ADİL DENİZLİ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Kimya = Chemistry ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Arsenik = Arsenic ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology

Özet:
Zehirli özelliklere sahip metallerin çevre (deniz, göl, nehir vb. ) ve içme sularında bulunması birçok yaşam türleri için tehlike oluşturmaktadır. Canlılar için zararlı olan bu metallerin zararsız ürünlere dönüşmeleri de söz konu değildir. Bu nedenlerden dolayı zararlı olan bu metallerin sulardan uzaklaştırılmaları zorunludur. Bu zararlı metallerden arsenik ise içme sularında bilinen en toksik madde olarak bütün dünyada liste başıdır. İçme sularında bulunan arsenik, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) ve Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı (IARC) tarafından insanlar için kanserojen olarak kabul edilmiştir. Arseniğin sağlık üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı içme sularında izin verilen maksimum arsenik miktarı 1993 ylında 10 ?g/L'ye indirmiştir.Sunulan çalışmanın amacı; son yıllarda gündeme gelen ve özellikle büyükşehirlerimizin en önemli sorunlarından biri olan, sulardan arseniğin seçici ve ekonomik bir şekilde uzaklaştırılması için, moleküler baskılanmış arsenik belleklerine sahip akıllı nanopartiküllerin hazırlanmasıdır. Arsenik iyonları ile kompleks oluşturabilen ve tiyol grubuna sahip N-metakriloil-(L)-sistein (MAC) fonksiyonel monomer olarak seçilmiştir. Bunun için öncelikle MAC monomeri sentezlenmiştir. MAC monomeri ile As+3 ve As+5 iyonları arasında farklı oranlarda kompleksler oluşturulmuş, mini-emülsiyon polimerizasyonu yöntemi ile arsenik baskılanmış (As-IIP) nanopartiküller sentezlenmiştir. Sentezlenen nanopartiküllerin 80-150 nm aralığında değişen çaplara ve -10 mV ila -30 mV yüzey yüküne sahip oldukları bulunmuştur. Ayrıca bu nanopartiküllerin yapısal analizi Fourier Transform Infrared spektroskopisi (FTIR) ile yapılmıştır. As-IIP nanopartiküllerin yüzey morfolojisi taramalı elektron mikroskopisi (SEM), atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), tünelleme elektron mikroskopisi (TEM) kullanılarak belirlenmiştir. As-IIP nanopartiküllerin MAC içeriği elementel analiz cihazı kullanılarak belirlenmiştir. As+3-IIP ve As+5-IIP nanopartikülleri sulu çözeltilerden arsenik adsorpsiyon çalışmaları pH 4.0 ve pH 9.0 aralığında çalışılmış ve maksimum adsorpsiyon her iki iyon için de pH 5.0'de sırasıyla 67.13 mg As+3/g ve 54.29 mg As+5/g kuru nanopartikül olarak bulunmuştur. As+3-IIP ve As+5-IIP nanopartiküllerin seçicilik katsayılarının belirlenmesi amacıyla PO4-3, SO4-2 ve NO3- anyonları varlığında seçicilik deneyleri yapılmıştır. Çevre sularından arsenik uzaklaştırılması için yapılan çalışmalarda % 95.5 oranında uzaklaştırma etkinliğine ulaşılmıştır. Son olarak, As-IIP nanopartiküllerin tekrar kullanılabilirlik deneyleri yapılmıştır ve adsorpsiyon kapasitelerinde kayda değer oranda bir azalma saptanmamıştır.Anahtar Sözcükler: Arsenik uzaklaştırılması, nanopartiküller, moleküler baskılama, MIP

Abstract:
Metals which have toxic effect in surface water (sea, lake and river ) and drinking water threat many living organism. These hazardous metals for many living organism can not be converted harmless products. Hence, it is necessary to purify and reduce the concentration of toxic metals in contaminated water. Arsenic is known as the most toxic substance in drinking waters throughout the world. The World Health Organization (WHO) and International Agency for Research on Cancer (IARC) defines arsenic in drinking waters as a carcinogen. WHO, based on the research, reduced the amount of arsenic in drinking water from 50 ?g/L to 10 ?g/L in 1993 and arsenic concentration of water over 10 ?g/L was identified as toxic.The aim of the present thesis was the design of molecular imprinted smart nanoparticles with arsenic recognition memory and their application for removing arsenic ions from ground waters, which is the one of the recent problems especially in big cities. The complexing monomer, N-methacryloyl-(L)-cysteine (MAC) was choosen, due to the high affinity of arsenic towards thiol groups. Firstly we have synthesized MAC monomer and nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometries. Arsenic imprinted (As-IIP) nanoparticles were synthesized with As+3 and As+5, which were complexed with different ratios of MAC monomer by using miniemulsion polymerization technic. The zeta size (80-150 nm) and in zeta potantial range -10 mV -30 mV of As-IIP nanoparticles were determined by using zeta sizer and zeta potantial instrument. The functional groups of As-IIP nanoparticles were determined by using fourier transform infrared (FTIR) spectroscopies. The physical appearance and dimensions of nanoparticles were investigated by using scanning electron microscopy (SEM), tunneling electron microscopy (TEM), and atomic force microscopy (AFM) images. The presence of MAC monomer in the nanoparticles structure and the success of complexation were confirmed by elemental analysis. Adsorption experiments of As+3-IIP and As+5-IIP nanoparticles were investigated in aqueous media in the pH range of 4.0-9.0. The maximum adsorption capacities of As3+-IIP and As5+-IIP nanoparticles were 67.13 mg As+3/g nanoparticles and 54.29 mg As+5/g nanoparticles at pH 5.0, respectively. The selectivity experiments of As3+-IIP and As5+-IIP nanoparticles in the presence of PO43-, SO42- ve NO3- anions were studied in order to determine the relative selectivity coefficients (K?). As3+-IIP and As5+-IIP nanoparticles were applied to environmental sources and arsenic removal efficiency was reported up to 95.5 %. Finally, As3+-IIP and As5+-IIP nanoparticles were used many times for the reusability experiments and the findings showed that there was a negligible decrease in adsorption capacity.Keywords: Arsenic removal, nanoparticles, molecular imprinting, MIP