Titanat nanotüplerin nükleer atık yönetiminde kullanılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of utilization of titanate nanotubes in nuclear waste management
Yazar: SİBEL KASAP
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN TEL ; PROF. DR. SABRİYE PİŞKİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Titanyum = Titanium

Özet:
Nanoteknoloji alanında, karbon nanotüplerin keşfinden sonra çok çeşitli nanotüplerin sentezine yönelik çalışmalar başlamıştır. Bunların içerisinde özellikle titanyum tabanlı nanotüpler, fotokatalizör, lityum iyon pilleri, boyaya duyarlı güneş pilleri, katalizör destekleri, gaz ve nem sensörleri gibi kullanım alanlarında gelecek vaat etmekte olan nanoyapılardır. Titanyum nanotüplerin, son yıllarda bu kullanım alanlarına yönelik çalışmalar yoğun bir şekilde sürmesine rağmen, bu yapıların adsorban olarak kullanımına yönelik çalışmalar ise sınırlı sayıdadır. Bu çalışmanın amacı, alkali hidrotermal yöntem ile sentezlenen titanat nanotüplerin sulu çözeltilerden Sr2+ iyonunun adsorpsiyonunda adsorban olarak kullanım potansiyelini incelemektir.Çalışma üç bölümden oluşmaktadır:Birinci bölümde, TiO2 nanoparçacıkları ultrasonik koşullarda titanyum izopropoksitin su ve izopropil alkol varlığında hidroliz edilmesi sonucu 70oC sıcaklıkta ve 4 saatte sentezlenmiştir. Deneyler, prosesin fonksiyonları olan; ortam asitliği, hidroliz ortamı, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi parametreleri göz önünde bulundurularak yapılmıştır.İkinci bölümde, titanat nanotüpler, alkali hidrotermal koşullarda anataz yapıdaki titanyum dioksitin (ilk bölümde sentezlenen) 10 M NaOH ile reaksiyonu sonucunda 190oC sıcaklıkta 12 saatte sentezlenmiştir. Hidrotermal ortam sıcaklığı, reaksiyon zamanı, alkali konsantrasyonu ve yıkama çözeltisinin asitliği parametrelerinin sentezlenen titanat nanotüplerin yapıları üzerindeki etkisi araştırılmıştır.Titanat nanoyapılarına ait yapısal ve morfolojik analizler, X-ışını Difraktometresi (XRD), Kızıl Ötesi Dönüşüm Spektroskopisi (FT-IR), Raman Spektroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM), Yüksek Çözünürlüklü Transmisyon Elektron Spektroskopisi (HRTEM), Brunnuer-Emmett-Teller analiz yöntemi (BET) ve Diferansiyel Termal Analiz-Termogravimetrik Analiz (DTA-TG) analizleri ile gerçekleştirilmiştir.Üçüncü bölümde, titanat nanotüplerin adsorban olarak Sr2+ iyonunun sulu çözeltilerden adsorpsiyonunda kullanılabilirliği incelenmiştir. Stronsiyum alım denemeleri kesikli yöntem ile gerçekleştirilmiştir. Kesikli adsorpsiyon deneyleri; değişen pH değerleri, başlangıç konsantrasyonları, sıcaklık, çalkama süresi ve adsorban miktarı için yürütülmüştür. Optimum adsorpsiyon koşulları; pH: 10, sıcaklık: 298 K, başlangıç Sr2+ konsantrasyonu: 50 ppm, adsorban miktarı: 50 mg ve çalkalama süresi 60 dakika olarak hesaplanmış ve maksimum değer 24.67 mg/g olarak elde edilmiştir. Adsorpsiyon mekanizmasını anlamak için, yalancı birinci ve ikinci dereceden hız eşitlikleri, parçacık-içi difüzyon modeli ve Boyd eşitliği kullanılmış ve bu eşitliklerin hız sabitleri hesaplanmıştır. Bütün denemeler, yalancı ikinci dereceden hız eşitliğinin adsorpsiyon sistemi üzerinde baskın olduğunu ve sistemin kimyasal sorpsiyonla kontrol edildiğini göstermiştir. Adsorpsiyonun karakterizasyonunu yapabilmek için Langmuir, Freundlich ve izoterm modellerine uygunluğu incelenmiş, ?Ho, ?So ve ?Go gibi termodinamik veriler elde edilmiştir. Sonuçlar adsorpsiyonun Langmuir tek tabaka izotermine uyduğunu, endotermik, kendiliğinden ve istemli olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Since carbon nanotube has been discovered much attention to the synthesis of various nanotubes in nanotechnology is observed. Especially, titania based nanotubes are one of most promising nanotubes for applications as photocatalysts, lithium ion batteries, dye-sensitized solar cell, catalysts support, gas and humidity sensors. Although titanate nanotubes applications in these fields have been intensely studied during recent years, however, the researches concerning their potential applications as an adsorbent are seldom reported. The objectives of this study are to synthesized of titanate nanotubes (TNT) by hydrothermal method and examine the potential of TNT as an adsorbent to adsorb Sr2+ ion from aqueous solution.This study consists of three parts:In the first part, TiO2 nanoparticles were synthesized by the hydrolysis of titanium isopropoxide in the presence of water and iso-propyl alcohol under ultrasonic irradiation at 70oC for 4 h. The experiments were carried out considering the process as a function of acid media, hydrolysis media, reaction temperature and reaction time.In the second part, titanium dioxide nanotubes have been synthesized via an alkaline hydrothermal treatment of anatase titania powders ( synthesized in first part) and 10 M NaOH solution at 190oC for 12 h. We examined the influence of synthesis parameters on the formation of titanate nanotubes produced by alkaline hydrothermal method. The parameters included, hydrothermal medium temperature, reaction time, alkaline concentration and acidity of washing solution.The titanate nanostructre?s phase and morphology were analysed using X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transmission Spectroscopy (FT-IR), Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), Brunnuer-Emmett-Teller (BET) Analysis and Differential Thermal Analysis/ Thermal Gravimetry Analysis (DTA/TG).In the third part, use of titanate nanotubes as adsorbent was investigated to adsorb Sr2+ ions from aqueous solution.The strontium uptake experiments have been carried out by the batch method. Batch adsorption studies have been carried out at different pHs, initial concentrations, temperatures, shaking times and adsorbent dosages. The optimum points giving the maximum uptake of strontium ions (66.72 mg/g) were found to be as; initial pH: 10, temperature: 25oC, initial concentration: 50 ppm, shaking time 60 minutes and adsorbent dosage: 50 mg. In order to understand the mechanism of adsorption kinetics, first-order and second-order rate expression, intra-particle diffusion model and Boyd equation and were used and rate constants of those expressions were calculated. The overall results indicated that the pseudo second-order sorption mechanism is predominant and the overall rate constant of each sorption process appears to be controlled by the chemical sorption process. In order to identify the adsorption process, adsorption data were fitted to Langmuir and Freundlich isotherm models and thermodynamic parameters such as ?Ho, ?So and ?Go were calculated. The results showed that the adsorption of strontium on titanate nanotubes was described as an isotherm of Freundlich, and the reaction was an endothermic and spontaneous process .