Bizmut sülfür ve baryum oksit nanomalzemeleri yardımı ile bakırın ve kadmiyumun atıksu matrikslerinden giderilmesine yönelik yenilikçi analitik stratejiler
Novel analytical strategies for the removal of copper and cadmium from waste water matrix by using bismuth sulfide and barium oxide nanomaterial
Yazar: EMİNE TEZGİN ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. FATMA TURAK ; PROF. DR. SEZGİN BAKIRDERE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Ağır metaller, doğada farklı konsantrasyonlarda doğal olarak bulunabilen, çok düşük seviyelerde bile çevre ve canlılara toksik ve zararlı elementlerdir. Doğal döngülerin yanı sıra endüstriyel uygulamalardan kaynaklanan kirlilikle birlikte bu metaller toprakta, havada, yer altı sularında, denizlerde, okyanuslarda ve birçok farklı su kaynağında birikmektedir. Çevreye salınan ve doğal kaynaklarda biriken ağır metaller, yüksek toksisitesi ve biyolojik olarak parçalanamayan özellikleri nedeniyle canlılar için tehlike arz etmektedir. Bu nedenle, su kaynaklarından ağır metal iyonlarının yüksek giderim verimi ile arıtımı insan ve çevre sağlığı için önem taşımaktadır. Bu tez kapsamında, bakır ve kadmiyum iyonlarının farklı su matrikslerinden giderimi için yenilikçi arıtım stratejilerinin geliştirilmesine odaklanılmıştır.
Tezin ilk kısmında, musluk sularından bakır iyonlarının yüksek giderim verimi ile arıtımında kullanılmak üzere Bi2S3 nanoçiçekler (NÇç) sentezlenmiş ve nanoçiçek destekli arıtım stratejisi, alevli atomik absorpsiyon spektrometresi (AAAS) sistemi ile birleştirilerek geliştirilmiştir. Bi2S3 NÇç sentezlenmesi için, basit ve zamandan tasarruf sağlayan yenilikçi bir sentez prosedürü ortaya konulmuştur. Sentezlenen Bi2S3 NÇç için taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını kırınımı spektroskopisi (XRD) ve Fourier dönüşümlü infrared spektrometresi (FT-IR) ile karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Geliştirilen Bi2S3 NÇç-AAAS yönteminin tüm deneysel parametreleri tek değişkenli optimizasyon yaklaşımı ile optimize edilmiştir. Yöntemin uygulanabilirliği ve etkinliğinin değerlendirilmesi amacıyla musluk suyu örnekleri kullanılmıştır. Sistemin analitik performansını arttırmak amacıyla çıkış numunelerine dağıtıcı sıvı-sıvı mikroekstraksiyonu (DSSME) yöntemi uygulanmış ve yüzde giderim verimi hesaplanmıştır. Bakır iyonlarının arıtımı için Bi2S3 NÇç'lerin adsorpsiyon kapasitesi hesaplanmış ve Langmuir adsorpsiyon izoterm modelleri (Tip 1, Tip 2, Tip 3 ve Tip 4) kullanılarak elde edilen denge değerleri matematiksel olarak modellenmiştir. Tip 1 izoterm modeli temel alınarak hesaplanan değerlerin uygunluğu Bi2S3 NÇç'lerin bakır gideriminde adsorban olarak kullanılabileceği gösterilmiştir.
Tezin ikinci bölümünde, kadmiyumun evsel atık sulardan yüksek giderim verimi ile arıtımı için BaO nanoçubuklar (NÇb) kullanılarak nanomalzeme esaslı bir arıtım stratejisi geliştirilmiştir. BaO NÇb'ler SEM ve XRD yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Deneysel parametreleri tek değişkenli optimizasyon yaklaşımı ile optimize edilen yöntemin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu araştırmak amacıyla evsel atıksu numuneleri kullanılmıştır. %98.18 ile %99.57 arasında hesaplanan yüzde giderim verimleri BaO NÇb-AAAS esaslı yöntemin evsel atık sulardan kadmiyum gideriminde kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Heavy metals can be found in nature with different concentrations, even with low levels they are harmful to the environment and creatures. Besides the natural cycles, with the pollution due to industrial applications, these metals accumulate in soil, air, groundwater, seas, oceans, and many different water sources. Heavy metals released into the environment and accumulated in natural resources pose a danger to living organisms due to their high toxicity and non-biodegradable properties. Hence, the treatment of heavy metal ions from water resources with high removal efficiency is important for human and environmental health. This thesis focuses on the development of innovative treatment strategies for the removal of copper and cadmium ions from different water matrices. 
In the first part of the thesis, Bi 2 S 3 nanoflowers (NFs) were synthesized for the treatment of copper ions from tap water with high removal efficiency and the nanoflower-assisted treatment strategy was developed in combination with a flame atomic absorption spectrometry (AAAS) system. A simple and time-saving innovative synthesis procedure has been developed for the synthesis of Bi 2 S 3 NFs. The characterization studies for the synthesized Bi 2 S 3 NFs were performed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction spectroscopy (XRD) and Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR). All experimental parameters of the developed Bi 2 S 3 NFs-AAAS method were optimized by univariate optimization approach. The tap water samples were used to evaluate the applicability and efficiency of the method. In order to improve the analytical performance of the system, dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME) method was applied to the effluent samples and percent removal efficiency was calculated. The adsorption capacity of Bi 2 S 3 NFs for the treatment of copper ions was calculated and the equilibrium values obtained were mathematically modelled using Langmuir adsorption isotherm models (Type 1, Type 2, Type 3, and Type 4). The suitability of the values calculated based on the Type 1 isotherm model showed that Bi 2 S 3 NFs can be used as adsorbent for copper removal.
In the second part of the thesis, a nanomaterial-based treatment strategy was developed for the removal of cadmium from domestic wastewater with high treatment efficiency using BaO nanorods (NRs). BaO NRs were characterized by SEM and XRD methods. The domestic wastewater samples were utilized to investigate the applicability and accuracy of the method whose experimental parameters were optimized by univariate optimization approach. Percent removal efficiencies calculated between 98.18% and 99.57% showed that the BaO NRs- AAAS based method can be employed for cadmium removal from domestic wastewaters.