Katı desteğe kovalent bağlı imino bis propandiol ve kuarterner amin fonksiyonlu kopolimer saçakların sudan eser miktarda bor giderilmesinde kullanılması
Solid supported imino-bis-propanediol and quaternary amine functional copolymer grafts for extraction of trace boron from water
Yazar: AHMET İNCE
Danışman: PROF. DR. NİYAZİ BIÇAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Eser miktarda borun sudan uzaklaştırılması bunun bitkileri bodurlaştırma etkisi nedeniyle özel bir öneme sahiptir. Şimdiye kadar yapılan çalışmalardan anlaşıldığına göre 4 ppm den daha yüksek konsantrasyonlarda bor içeren suyla sulanmış toprakta bitkilerin önemli bir kısmı ölür. Borun sudan ucuz yolla uzaklaştırılması için magnezyum hidroksit, kalsiyum fosfat, demir oksitler gibi çeşitli inorganik pigmentlerin kullanılması denenmiştir. Ancak bu yollarla bor konsantrasyonunu kabul edilebilir sınırlara düşürmek mümkün değildir. Bir başka yaklaşım kuvvetli bazik anyon değiştirici reçineler kullanmaktır. Bu tip reçinelerin bor giderilmesinde etkin olduğu fakat iyon değiştirici grupların ortamdaki diğer iyonları da yakalaması nedeniyle bu yolun ekonomik olmadığı gösterilmiştir. Bu nedenle bor yakalamada pratik kullanıma sahip olabilmesi için kullanılacak reçine veya sorbentin yalnız bor seçimli olması gerekmektedir. Bu alanda sürdürülen çalışmalar katı polimer yüzeyine kovalent bağlı sorbitol, mannitol, N-metil D-glukamin gibi şeker türevlerinin borik asidi esterlerini oluşturturarak boru seçimli olarak bağladığı ve bor derişiminin 1 ppm' in altına indirebildiği gösterilmiştir. Ancak geri kazanım esnasındaki asit muamelesiyle kapasitesinin önemli miktarda düşmesi bu tür reçinelerin önemli bir olumsuzluğudur. Bu duruma çare olmak üzere grubumuzca yapılan önceki çalışmalarda imino bis-propandiol fonksiyonunun yeni ve etkin bir bor şelatlayıcı grup olduğunu gösterdik.Bu tez çalışmasında yeni, çok daha etkin, yüksek kapasiteli ve geri kazanılabilen bor spesifik reçine sentezi ortaya konmuştur. Deneyler bu reçinenin sulu çözeltilerdeki boru 5dakikadan daha az sürede uzaklaştırabildiği gösterilmiştir. Bu reçinenin dizaynındaki temel strateji PS-DVB (10 %) mikro küreciklerinin yüzeyinde ditiyokarbamat grupları üzerinden ? foto iniferter? yüzeyden başlatılan polimerleşme tekniği (SIP) kullanarak yoğun (% 2500) N-vinil formamit (NVF)-diallildimetilamonuum klorür (DADMAC) kopolimer saçakları oluşturmaya dayanmaktadır. Saçaklar üzerindeki formamido gruplarının hidrolizini takiben meydana gelen amino grupları glisidolle reaksiyona uğratılarak mikro kürelerin yüzeyinde borla kompleks yapan iminobispropandiol grupları ve zincirlerin gerginliğini sağlayan kuarterner amino gruplarını taşıyan yüzey saçakları meydana getirilmiştir. Bor ekstraksiyon deneyleri, molce % 0, % 10 ve % 20 DADMAC içeren yüzey saçaklarının boron yükleme kapasitesinin fonksiyonel grup başına 0.87-0.96 (mol/mol) olduğunu göstermiştir. Ayrıca artan DADMAC içeriğinin tampon içermeyen çözeltilerden borik asidi daha hızlı giderdiği anlaşılmıştır. Yüksek kapasitesi (2.4-2.9 mmol/g), 4 M HCl ile geri kazanılabilmesi nedeniyle saçaklı fonksiyonlu bu yeni reçine pratik uygulama açısından sudan borun arındırılmasında ümit vadeden bir malzeme olarak gözükmektedir.

Abstract:
Removal of trace boron from water is of special importance due to its plant stunting effect. The literature data have revealed that the use of irrigation water containing trace boron in 4ppm concentrations show a detrimental effect on a plants and trees. Various inorganic pigments such as magnesium hydroxide, iron oxides and calcium phosphate have been considered as cheap sorbents for boron removal. However it is impossible to reduce the boron concentrations below the acceptable limits by these materials. The use of strong base anion-exchange resins has been considered as an alternative pathway to remove boron. It has been demonstrated that such a resin is effective for boron removal, but occupation of the ion exchange groups by other ionic species makes the process uneconomical. For this reason a resin material or sorbent should be boron specific, in practical aspects of view. Polymer supported sugar derivatives such as sorbitol, mannitol and commercial resin with-methyl D-glucamine functional groups have been reported to bind boric acid specifically by forming stable boron esters and reduce the boron concentrations below 1 ppm. However, considerable capacity loss of the resins, while regenerating by acid treatment is main drawback of those materials.In order to overcome this drawback, in our previous studies, we have introduced imino bis-propanediol function as a new efficient boron chelating group [1].In this work, we have described synthesis of a new, more efficient, reusable and high capacity boron specific resin material. The experiments revealed that, this resin material is able to remove boron within less than 5 min of contact times. This strategy involves generation of dense N-vinyl formamide (NVF)-diallyldimethylammonium chloride (DADMAC) copolymer brushes (up to 2500 % w/w) on microspheres by surface initiated polymerization (SIP) of the monomer mixture from dithiocarbamate surface groups, using photo-iniferter technique. Hydrolysis of the formamido groups and followed reaction with glycidol yields hairy grafts with boron chelating imino-bis-propanediol (IBP) functions and chain expanding quaternary amino groups. Boron sorption experiments revealed that, the materials built up of hairy grafts with 0, 10 and 20 % of DADMAC contents (mol/mol), have boron loading capacities 0.87-0.96 mole per mole of IBP unit. Moreover the increasing DADMAC content provides even faster boron uptakes from non-buffered solutions. This new resin with boron chelating hairy grafts presented seems to be promising for practical uses, due to its hight capasty (2,4-2,9 mmol/g), easy regenerability with 4 M HCl solution.