Akrilik monomer esaslı nanokompozit hidrojellerin elde edilmesi ve uygulamaları
Preparation of acrylic monomer based nanocomposite hydrogels and their applications
Yazar: MERT DALARAN
Danışman: PROF. DR. SAADET K. PABUCCUĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Hidrojeller = Hydrogels ; Nanokompozitler = Nanocomposites

Özet:
Süperabsorban hidrojeller gevşek olarak çapraz bağlanmış büyük miktarlarda su veya diğer biyolojik sıvıları absorplayabilen, şişebilen ve geri bırakabilen hidrofilik polimerlerdir. Bu üstün özelliklerinden dolayı hijyenik, tarımsal, medikal ve farmasötik uygulamalara sahiptirler ve bu uygulamalarda su emiciliği ve su bırakması özellikleri önemlidir. Son yıllarda, nanokompozitler adı verilen, organik-inorganik süperabsorban kompozitlerin eldesi, nispeten düşük üretim maliyetleri, yüksek su emiciliği ve tarımda ve bahçecilikteki önemli ölçüdeki uygulamalarından dolayı büyük ilgi çekmektedir ve bu sistemler gittikçe artan öneme sahiptirler. Polimer nanokompozitlerin üretiminde attapulgit, sepiyolit, montmorillonit gibi smektit grubu killer hidrofilik yapılarından, doğal olarak bol miktarda bulunmalarından ve düşük maliyetlerinden dolayı inorganik bileşik olarak sıklıkla kullanılarlar. Polimer-kil nanokompozitler saf süperabsorbanlar veya bilinen superabsorban kompozitlerin özellikleri ile karşılaştırıldıklarında, çoğunlukla üstün fiziksel, mekaniksel ve diğer özellikler gösterirler. Bunun başlıca sebebi polimer matris içerisinde kilin nano ölçekte dağılımı, kil tabakalarının yüksek dağılım oranı ve polimerler ve kil arasında arayüzey etkileşimidir. Bilhassa son birkaç yılda araştırmacılar, akrilik esaslı nanokompozit süperabsorbanların sentezi ve karakterizasyonu üzerindeki çalışmalara odaklanmışlardır.Modern endüstriyel toplumlarda boyar maddeler tekstil, kağıt, plastik ve kozmetik endüstrileri gibi bir çok yerlerde kullanılmaktadırlar. Bu nedenle atık sulardan boyar madde moleküllerinin uzaklaştırılması su kirliliği alanında en önem verilmesi gereken bir husustur. Plastik, boyar madde, kağıt ve tekstil atık sularından boyar maddelerin uzaklaştırılması için koagülasyon- flokülasyon işlemi, biyolojik bozunma prosesleri, oksidasyon yöntemleri, membran filtrasyonu ve adsorpsiyon gibi birkaç fiziksel, kimyasal ve biyolojik su arıtma işlemleri önerilmektedir. Bu işlemlerin arasında adsorpsiyon tekniği yüksek etkinliği, kolay uygulanabilirliği ve farklı adsorplayıcıların (örneğin katı veya hidrojel) uygunluğu dolayısıyla en etkin ve faydalı bir işlem olarak genellikle tercih edilmektedir.Bu tezle sunulan çalışmanın amacı, akrilik monomer esaslı amfoter yapıda nanokompozit hidrojelleri hazırlamak ve sulu çözeltilerden asidik boyar madde indigo carmine giderilmesindeki etkinliğini incelemektir.İki grup çalışma gerçekleştirilmiştir. Birinci gruptakiler; akrilik monomer esaslı amfoter yapıda nanokompozit hidrojellerin eldesi ve karakterizasyonudur. Öncelikle aynı miktarlarda anyonik bir monomer akrilik asit (AA), katyonik bir monomer 2-(dietilamino)etil metakrilat (2-DEAEMA), çapraz bağlayıcı bileşik N,N-metilenbisakrilamid (NMBA), başlatıcı bileşiği potasyum persülfat (K2S2O8)- potasyum bisülfit (KHSO3) ve farklı miktarlarda (toplam monomer ağırlığının %1, 3, 5, 7 ve 10'u) montmorillonit (MMT) kullanılarak, sulu ortamda, eş-anlı polimerizasyon tekniği ve serbest radikal katılma polimerizasyonu mekanizmasına göre nanokompozit hidrojeller (NH) elde edilmiştir. Saflandırılan ürünler Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR) ve X Işını Kırınım Difraktometresi (XRD) teknikleri kullanılarak karakterize edilmişlerdir. NH'lerin oluşum mekanizması ve yapısı aydınlatılmaya çalışılmıştır. Ürünlerin destile suda ve farklı pH'lardaki çözeltilerde şişme davranışları, şişme kinetiği ve mekanik özellikleri (elastik modül) incelenmiştir. NH'lerdeki MMT miktarının artmasıyla şişme denge değerinin azaldığı, mekanik dayanımın arttığı, şişme özelliklerinin çözeltinin pH değerine duyarlı olduğu saptanmıştır.İkinci gruptaki çalışmalar sulu çözeltilerden indigo carmine giderilmesi uygulamalarıdır. Bu denemelerde ürünlerin süreye bağlı olarak boyar madde adsorpsiyonu, adsorpsiyon kinetiği ve izotermleri incelenmiştir. Adsorpsiyon uygulamaları verilerinden, MMT miktarının artması ile adsorpsiyon hızının arttığı, adsorpsiyonun tüm ürünler için pseudo birinci dereceden kinetik modele uyduğu ve seçilen ürün NH5 için ise tüm izoterm modellerine (Langmuir, Freundlich ve BET) uygun olduğu saptanmıştır.

Abstract:
Superabsorbent hydrogels are loosely crosslinked hydrophilic polymers that can absorb, swell and retain a large volume of water or other biological fluids. Because of their superior properties they have hygienic, agricultural, medical and pharmaceutical applications and in such applications, water absorbency and water retention properties are essential. In recent years, the preparation of organic-inorganic superabsorbent composites are called nanocomposites has attracted great attention because of their relatively low production cost, high water absorbency and their considerable range of applications in agriculture and horticulture, so these systems have become increasingly popular. Because of their hydrophilic nature, natural abundance and low cost, clays of smectite group such as attapulgite, sepiolite, montmorillonite are used as inorganic compound. Polymer-clay nanocomposites frequently exhibit excellent physical, mechanical and other properties, compared to those of pure superabsorbents or conventional superabsorbent composites. It is attributed to the nanoscale dispersion of clay in the polymer matrix, high aspect ratio of clay platelets and interfacial interaction between clay and polymers. In the last several years, researchers have focused on studying the synthesis and characterization of acrylic based nanocomposite superabsorbents.In modern industrial society, dyes are used everywhere such as textile, paper, plastics and cosmetic industries. Therefore the removal of dye molecules from waste waters is a matter of great interest in the field of water pollution. Several physical, chemical and biological water treatment processes such as coagulation-flocculation treatment, biodegradation processes, oxidation methods, membran filtration and adsorption have been proposed for the removal of dyes from plastics, dyestuffs, paper and textile effluents. Because of the high effiency, easy handling and availability of different adsorbents (for example solid or hydrogel), among these numerous techniques, adsorption technique is generally preferred as an high effective and useful process.The aim of the study presented these thesis is that the preparation of nanocomposite hydrogels with amphoteric structure and the investigation of the efficiency in the removal of the acidic dye indigo carmine from the aqueous solutions.Two groups expriments were realized. In the first group experiments, acrylic monomer based nanocomposite hdyrogels with amphoteric structure were obtained and characterized. Firstly, these nanocomposite hdyrogels (NH) by using the same amounts of acrylic acid (AA) as an acidic monomer, 2-(diethylamino)ethyl methacrylate (2-DEAEMA) as an cationic monomer, potassium persulfate-bisulfite as initiator and different amounts (1,3,5,7,10 % of total monomer weight) of montmorillonite (MMT), according to the free radical addition polymerization mechanism and in-situ polymerization technique in the aqueous media. Prufied products were characterized by using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and X Ray Diffaction (XRD) techniques. The formation mechanism and the structure of the NH?s were clarified. Swelling behaviours in the distilled water and in the solutions with different pH values, swelling kinetic and mechanical properties (elastic module) of the products were investigated. The results of obtained data were determined that equilibrium swelling degree of the NH decreases with the increase of the amount of the MMT, but the mechanical strength increases, also swelling properties of the NH is sensitive to the pH values of the solutions.The second group experiments are the applications of the removal of the indigo carmine from aqueous solutions. Dye adsorpsion depending on the time and the adsorption kinetic and the isotherm of the products were investigated in these group experiments. From the adsorption data, it was determined that adsorption rate increases with the increase of the amount of the MMT, adsorption or all produts fits pseudo-first-order kinetic model and for selected product NH5 also fits all isoterm models (Langmiur, Freundlich and BET).