Uranyum geri kazanımı için çok tabakalı nanoreaktörlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of multilayer nanoreactors for recovery of uranium
Yazar: FATİH ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT A. A. ASLANİ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Absorpsiyon = Absorption ; Nanoteknoloji = Nanotechnology

Özet:
Adsorbsiyona dayalı ayırma ve geri kazanma işlemlerinin nükleer teknoloji, sanayi ve atık su arıtma tesislerinde büyük bir önemi vardır. Günümüz teknolojisinde polielektrolitler atık sulardan ağır metallerin giderimi amacıyla kullanılmaktadır. Buna ek olarak, polielektrolitlerle atık sulardan radyonüklitlerin giderimi ve geri kazanımı mevcut teknolojilere potansiyel bir alternatif olarak düşünülebilir.
	Bu çalışmada, şeffaf iletken oksitlerden biri olan indiyum katkılanmış kalay oksit (ITO) kaplanmış cam desteklerin üzerine döndürerek kaplama (spin coating) tekniği kullanarak polielektrolitlerin sıralı olarak (katyonik/anyonik) kaplanmasıyla, çok katmanlı polielektrolit nanoreaktörler sentezlenmiştir. Elde edilen çok katmanlı polielektrolit nanoreaktörlerin karakterizasyonu AFM, SEM, FT-IR, XRD ve XPS analizleri ile yapılmıştır. Karakterize edilen bu nanoreaktörlerin uranyum adsorpsiyonunda kullanımı incelenmiştir.
Uranyum alım denemeleri kesikli teknik ile gerçekleştirilmiştir. Etki eden parametreler deneysel tasarım yöntemlerinden merkezi kompozit tasarım kullanılarak incelenmiştir. Çalışmada, beş bağımsız değişken olarak ortamın başlangıç pH`ı, sıcaklık, uranyum başlangıç derişimi, temas süresi ve katman sayısı belirlenmiştir. Bu deneysel tasarım ve istatistiksel analizler, bağımsız değişkenlerin değişim aralığı içerisinde adsorpsiyon değerlerini tahmin etmek ve ayrıca cevap yüzey grafiklerini çizebilmek için kullanılabilen bir polinominal denklem sağlanmıştır. Elde edilen modelin %95 güven aralığı içerisinde varyans analizi (ANOVA) yapılmış ve ayrıca deneysel ve tahmini bulguların uyumuna bakılmıştır. Model ile ilgili F ve P değerleri sırasıyla 8,39 ve 0,0004 (<0,05) olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar modelin istatistiksel olarak anlamlı olduğunu göstermektedir. Korelasyon katsayısı (R2) değerinin %94 olarak belirlenmesi, gözlenen değerlerle öngörülen değerler arasında uyumluluk olduğunu göstermektedir. Her bir değişkenin, karelerinin ve değişkenler arasında etkileşimin istatistiksel incelenmesi ve adsorpsiyon sürecine olan etkilerinin değerlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon üzerinde pH, sıcaklık, temas süresi ve katman sayısı temel değişkenler olarak anlamlı bulunmuştur. Uranyum başlangıç derişiminin ise temel değişken olarak anlamsız fakat temel değişkenin karesine bağlı olarak anlamlı olduğu, buna karşılık ikili etkileşimlerden derişim ve temas süresi, uranyumun başlangıç konsantrasyonu ve katman sayısının, sıcaklık ve katman sayısının  adsorpsiyon üzerinde etkili olduğu görülmüştür. Optimum adsorpsiyon koşulları pH=6, sıcaklık 38°C, başlangıç uranyum(VI) iyon konsantrasyonu 30 mg/L, temas süresi 120 dakika ve katman sayısı 5 çift kat (PAH/PAA) olarak hesaplanmış, maksimum adsorpsiyon verimi % 93±2 olarak elde edilmiştir.
Sorpsiyon sürecinin davranışlarını incelemek için Langmuir ve Freundlich izoterm modelleri kullanılarak her bir modele ilişkin veriler elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar adsorpsiyonun Langmuir tek tabaka izotermine uyduğunu göstermektedir. 
Seçimliliği değerlendirmek amacıyla uranyum iyonlarının adsorbsiyonu üzerine Ag+, Pb2+, Ni2+, Mg2+, Ca2+, Mn2+, Zn+2 gibi rekabet edici iyonların etkisi incelenmiştir. Rekabet eden iyonların U(VI) iyonunun adsorpsiyonuna olan etkisi Ag+>U6+>Ca2+>Pb2+>Mn2+>Mg2+>Ni2+>Zn2+ olarak belirlenmiştir. İlaveten uranyum adsorpsiyonuna gerçek matriks ortamının etkisi araştırılmıştır. Geri alım çalışması 25°C, temas süresi 60 dakika ve 1 M CH3COONH4 çözeltisi kullanılması ile gerçekleştirilmiştir. Uranyum çok katmanlı polielektrolit nanoreaktörlerin yüzeyinden  %97±3? lük bir verim ile geri alınmıştır.

Abstract:
Separation and recovery procedures based on adsorption have a great importance in nuclear technology, industry and waste plants. Polyelectrolytes are used to in today's technology to remove heavy metals from waste water. In addition, removal and recovery of radionuclides from waste water with these materials can be considered as a potential alternative to existing technologies.
In this study, the polyelectrolyte multilayer nanoreactors were synthesized with the sequantial deposition of oppositely charged polyelectrolytes (cationic/anionic) via spin-coting technique on Indium Tin Oxide (ITO) coated glass substrates. The obtained polyelectrolyte multilayer nanoreactors were characterized by using AFM, SEM, FT-IR, XRD and XPS. This characterized polyelectrolyte multilayer nanoreactors were investigated in the use of uranium adsorption.
The uranium uptake experiments have been carried out by the batch technique. The affecting parameters were analyzed by using central composite design as the experimental design method. The five independent variables such as initial pH, temperature, initial uranium concentration, contact time and the number of multilayers were selected for this study. This experimental desing and statistical analysis provide a polynomial equation which can be used to predict adsorption values within the range of the independent variables and also to draw the response surface plots. The analysis of variance of the obtained model was carried out in 95% confidence level and was checked to fitting of experimental and predicted values, as well. The values of the F and P related to the model were calculated as 8.39 and 0.0004 (<0.05), respectively. These results show that this model is statistically significant. The correlation coefficient value (R2) to be obtained as 94% showed that there was a high correlation between the observed values and the predicted ones. The main effects, main affects squares and the interactions between them were statistically analyzed and influences of them on the adsorption process were considered. The influences of initial pH, temperature, contact time and number of multilayers on the adsorption process were considered statistically significant as main affects. Initial uranium concentration was considered as a statistically significant according to square of main affect, although its main affect was considered statistically non-significant. On the other hand, interaction affects of initial uranium concentration and contact time, initial uranium concentration and number of multilayers, temperature and number of multilayers were considered as significant parameters on the adsorption process. The optimum condition of adsoption process were found to be at initial pH 6, temperature 38oC, initial uranium concentration 30 mg/L, number of bilayer (PAH/PAA) 5 and contact time 120 minutes. At this condition uranium (VI) ions adsorption yield was obtained as 93±2%.
In order to characterization of the sorption process, concerned data were calculated by using Langmuir and Freundlich isotherms. The results showed that the sorption of uranium on polyelectrolyte multilayer nanoreactors were described as Langmuir isotherm monolayer type.
The effects of competitive ions such as Ag+, Pb2+, Ni2+, Mg2+, Ca2+, Mn2+ and Zn+2 on uranium adsorption for evalvation of the selectivity were investigated. The results of performed analyses revealed that the effect of competition ions determined as Ag+>U6+>Ca2+>Pb2+>Mn2+>Mg2+>Ni2+>Zn2+. In addition, the influence of real matrix medium on uranium adsorption were studied. The desorpion study was also carried out by using 1 M CH3COONH4  solution at 25oC and 60 minutes as contact time. The uranium was desorbed as 97±3% from polyelectrolyte multilayer nanoreactors.