Nanokompozit yapısındaki biyopolimerlerin sentezi ve uygulamaları
Synthesis and applications of biopolymers with nanocomposite structures
Yazar: ARZU TORLAKOĞLU DÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. GAMZE GÜÇLÜ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Polimer temelli malzemelerin insan yaşamında kullanılmaya başlanması ile ortaya çıkan en önemli sorunlardan biri çevresel kaynaklı olup, bu sorunun esasını, temel girdileri tükenen kaynaklar olarak bilinen fosil yakıtlardan oluşan genellikle sentetik temelli polimerler oluşturmaktadır. Bu tür polimerler, doğada kendiliğinden bozunamayan atıklar oluşturmakta, söz konusu atıklar ekosistem döngüsü içerisinde hava, toprak ve su yolu ile taşınarak devamlılığını sürdürmekte ve yok olmamaktadır. Ekosistem içerisindeki taşıyıcı kanallardan biri olan suyun, canlı yaşamındaki önemi tartışılmaz olup, söz konusu atık maddelerin su kaynaklarında oluşturduğu kirliliklerden en yaygın olanı ağır metaller olarak bilinmektedir. Bu tür kirliliklerin su kaynaklarından uzaklaştırılmasında doğal kaynaklı polimerlerin kullanılması sorunun çözümünde önemli bir yer teşkil etmektedir. 
Bu kapsamda tez çalışmasında, atık sulardan ağır metallerin uzaklaştırılabilmesi için doğal polimerler grubunda önemli bir yer tutan kitosanın, itakonik asit ile graft reaksiyonu hedeflendi. Elde edilen kopolimer, yapısında içerdiği doğal bir polimer olan kitosan dolayısıyla, doğada kendiliğinden bozunabilme özelliğine sahip bir biyopolimerdir. Söz konusu biyopolimerin özelliklerinin geliştirilmesi amacı ile monomere göre ağırlıkça farklı oranlardaki (%1, %2 ve %5) hidrofilik bentonit yapısındaki nanokil, reaksiyon esnasında ortama ilave edildi. Nanokompozit yapının karakterizasyonu için X Işını Kırınım (XRD) tekniğinden yararlanıldı. XRD sonuçlarına göre, en ideal nanokompozit yapısı olarak kabul edilen eksfoliye yapıdaki nanokompozit ürünlerin elde edildiği sonucuna varıldı. Takiben, kitosan-g-itakonik asit kopolimer ile farklı oranlarda nanokil içeren nanokompozit ürünlerin atık sulardan ağır metal iyonlarının uzaklaştırılmasında adsorban olarak kullanımları ile ilgili çalışmalar gerçekleştirildi. Bu kapsamda ürünlerin bakır(II) ve kurşun(II) metal iyonlarını adsorpsiyon yetenekleri zamana bağlı ve denge adsorpsiyon çalışmaları ile ortaya konmuştur. Söz konusu adsorpsiyon çalışmaları kapsamında optimum kil oranı %2 olarak belirlendi. Ayrıca adsorpsiyon kinetik ve adsorpsiyon izoterm çalışmaları gerçekleştirildi ve kinetik çalışmalar kapsamında, adsorpsiyonun pseudo-birinci derece ve pseudo-ikinci derece kinetik modellere uygunlukları doğrusal ve doğrusal olmayan yöntem esasına göre incelendi. Denemelerden elde edilen sonuçların teorik sonuçlar ile kıyaslanması ile adsorpsiyon kinetiğinin pseudo-ikinci derece modele uygunluk gösterdiği sonucuna ulaşıldı. Adosrpsiyon izoterm çalışmaları kapsamında, optimum oranda (%2) kil içeren ürün ile kil içermeyen kopolimer ürünün Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson, Dubinin-Reduskevich, Temkin adsorpsiyon izoterm modellerine uygunlukları incelendi. Bu kapsamda doktora tezi adsorpsiyon izoterminin Langmuir (Tip I) ve Redlich-Peterson izoterm modellerine uygunluk gösterdiği tespit edildi.
Sonuç olarak kitosan-g-itakonik asit/nanokil sentezi ile biyopolimer yapısında bir nanokompozit ürün elde edildi. Söz konusu ürünün atık sulardan metal iyonlarını uzaklaştırmada adsorban olarak kullanıma uygun olduğu sonucuna ulaşıldı.

Abstract:
One of the most important problem ensued from using polymer-based materials in human life is based on environmental issues and source of the problem is usually synthetic polymers produced generally from fossil fuels that are known as exhaustible (non-renewable) resources. These kind of polymers cause formation of non-degradable wastes continuing their existence by the way of air, soil and water in ecosystem circle and these wastes do not degrade in nature. In this point, natural polymers can be thought as solving for the problem.
In this thesis, it was aimed at the graft reaction of itaconic acid with chitosan which plays an important role in the natural polymer group in order to remove heavy metals from waste water. Obtained copolymer is biopolymer that is degradable spontaneously in environment, in other words biodegradable, because of natural structure of chitosan. In order to improve the properties of the biopolymer, different amounts of nanoclay, hydrophilic bentonite, (%1, %2, %5 weight ratio according to monomer) were added to reaction medium. Characterization studies of the nanocomposite-structured products were analyzed by XRD method. According to XRD results, clay sheets were exfoliated that are accepted the best ideal nanocomposite structure.Subsequently, studies were carried out on the use of chitosan-g-itaconic acid copolymer (K-g-IA) and nanocomposite products containing nanoclay at different ratios as adsorbents for the removal of heavy metal ions from waste water. In this context, time-depended and equilibrium adsorption studies by using the mentioned products for Pb(II) and Cu(II) metal ions were performed. According to results of the adsorption studies, optimum nanoclay amount was determined as 2%. However, adsorption kinetic and adsorption isotherms studies were performed and adsorption kinetic studies were evaluated in point of suitability to pseudo-first order and pseudo-second order kinetic models by using lineer and non-linear methods. It was found that the second-order kinetic model was suitable for the adsorption kinetic studies by comparison experimental and theoretical results. Adsorption isotherm studies were evaluated according to Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Raduskevich and Redlich–Peterson models for nanocomposite containing 2% clay and copolymer without nanoclay. It was found that Langmuir isotherm model (Type 1) and Redlich–Peterson isotherms are the best-fit models for the adsorption process in this study.
As a result, chitosan-g-itaconic acid/nanoclay product was synthesized successfully as nanocomposite -structured biopolymers and evaluated as effective adsorban material for removing metal ions from wastewaters.