Nanokompozit jellerin ağır metal iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanımının incelenmesi
Investigation of the use of nanocomposite gels in the removal of heavy metal ions
Yazar: ŞEYMA ALTUN
Danışman: PROF. DR. SELVA ÇAVUŞ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Tez çalışmamda poli(metakrilik asit) (PMAA) ve poli(metakrilik asit-ko-itakonik asit) (P(MAA-ko-IA)) hidrojellerinin sentezi çapraz bağlayıcı olarak N,N'-metilen bisakrilamid (MBA) ve başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) kullanılarak serbest radikal polimerizayonu yöntemi ile 60°C ve 24 saatte gerçekleştirilmiştir. Poli(metakrilik asit)/çok duvarlı karbon nanotüp (PMAA/MWCNT) ve poli(metakrilik asit-ko-itakonik asit)/ çok duvarlı karbon nanotüp (P(MAA-ko-IA)/MWCNT) nanokompozit hidrojelleri çapraz bağlayıcı olarak N,N'-metilen bisakrilamid (MBA), yüzey aktif madde olarak sodyum dodesil sülfat (SDS) ve başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) kullanılarak serbest radikal polimerizasyon yöntemi ile 60°C´de 24 saatte sentezlenmiştir. Poli(metakrilik asit)/foksiyonelleştirilmiş çok duvarlı karbon nanotüp (PMAA/F-MWCNT) ve poli(metakrilik asit-ko-itakonik asit)/ fonksiyonelleştirilmiş çok duvarlı karbon nanotüp (P(MAA-ko-IA)/F-MWCNT) nanokompozit hidrojelleri PMAA/MWCNT ve P(MAA-ko-IA)/MWCNT nanokompozit hidrojelleri ile SDS kullanmadan aynı yöntem ile hazırlanmıştır. 
Çok duvarlı karbon nanotüp 1:3 (v/v) oranında H2SO4/HNO3 asit karışımı kullanılarak fonksiyonelleştirilmiştir ve nanokompozit hidrojellerin hazırlanmasında kullanılmıştır.
Hidrojeller ve nanokompozit hidrojellerin şişme kinetikleri, difüzyon mekanizmaları, farklı sıcaklıklardaki (15, 25, 35, 45, 60°C) ve farklı pH değerlerindeki (2.2, 5.3, 7.4, 10, 12.4) şişme davranışları ve sıfır yük noktası (pHpzc) incelenmiştir.  
PMAA, P(MAA90-ko-IA10), PMAA/MWCNT, P(MAA90-ko-IA10)/MWCNT, PMAA/F-MWCNT, P(MAA90-ko-IA10)/F-MWCNT hidrojelleri ve nanokompozit hidrojelleri kullanılarak Pb2+-Cu2+ metal iyonlarının kesikli metod ile rekabetli adsorpsiyon denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla iyon tutma kapasiteleri ve farklı başlangıç konsantrasyonu gibi parametrelerin ağır metal iyonu uzaklaştırma prosesi üzerinde etkisi belirlenmiştir.  Lagergren yalancı birinci dereceden kinetik modeli, yalancı ikinci dereceden kinetik modeli, partikül içi difüzyon, Langmuir izotermi ve Freundlich izotermi uygulanmış ve uygunlukları araştırılmıştır. 
Hidrojellerin, nanokompozit hidrojellerin, MWCNT ve F-MWCNT´nin karakterizasyon çalışmaları Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi Spektrometresi (FT-IR), X Işınları Toz Difraktometresi (XRD), Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Metal iyonu uzaklaştırma denemelerinde metal iyon konsantrasyonları İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektometresi (ICP-MS) kullanarak belirlenmiştir. Ağır metal tutmuş hidrojel ve nanokompozit hidrojeller de karakterize edilmiştir.

Abstract:
In thesis study, synthesis of poly(methacrylic acid) (PMAA) and poly(methacrylic acid-co-itaconic acid) (PMAA-co-IA) hydrogels  were performed by free radical polymerization method at 60 °C for 24 hour using N,N´-methylenebisacrylamide (MBA) as crosslinking agents and ammonium persulfate (APS) as initiator. Poly(methacrylic acid)/multiwalled carbon nanotube (PMAA/MWCNT) and poly(methacrylic acid-co-itaconic)/multiwalled carbon nanotube (P(MAA-co-IA)/MWCNT) nanocomposite hydrogels were synthesized by free radical polymerization at 60 °C for 24 hour using N,N´-methylenebisacrylamide (MBA) as crosslinking agents, sodium dodecyl sulfate (SDS) as surfactant and ammonium persulfate (APS) as initiator. Poly(methacrylic acid)/Functionalized multiwalled carbon nanotube (PMAA/F-MWCNT) and poly(methacrylic acid-co-itaconic)/Functionalized multiwalled carbon nanotube (P(MAA-co-IA)/F-MWCNT) nanocomposite hydrogels were prepared under the same procedure with PMAA/MWCNT and P(MAA-co-IA)/MWCNT wihout using SDS. 
Carbon nanotube was functionalized using acid mixture of H2SO4/HNO3 by 1:3 (v/v) ratio and were used preparing of nanocomposite hydrogels.
Swelling kinetics, diffusion mechanisms, swelling behaviors at different temperature (15, 25, 35, 45, 60°C) and different pH values (2.2, 5.3, 7.4, 10, 12.4), and point of zero charge (pHpzc) of hydrogels and nanocomposite hydrogels were investigated. 
Competitive sorption experiments of Pb2+-Cu2+ metal ions by batch method were performed using PMAA, P(MAA90-co-IA10), PMAA/MWCNT, P(MAA90-co-IA10)/MWCNT, PMAA/F-MWCNT, P(MAA90-co-IA10)/F-MWCNT hydrogels and nanocomposite hydrogels. For this purpose,  the effect of parameters such as ion retention capacities and different initial concentration on heavy metal removal process was determined. Lagergren pseudo first order, pseudo second order, intraparticle diffusion, Langmuir isoterm and Freundlich isoterm were applied and its fitting were investigated.
Characterization studies of hydrogels, nanocomposite hydrogels, MWCNT and F-MWCNT were carried out by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), X-ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA) and Scanning Electron Microscope (SEM). Metal ion concentration in the heavy metal removal experiments were determined using Inductively Coupled Plasma Mass Spectometry (ICP-MS). Heavy metal sorbed hydrogel and nanocomposite hydrogels were also characterized.