Sulardan stronsiyum giderimi için yeni tip nanobiyokompozitlerin geliştirilmesi ve adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Development of new types of nanobiocomposites for removal of strontium from aqueous solutions and investigations of absorption properties
Yazar: BÜŞRA PRILL
Danışman: PROF. DR. SABRİYE YUŞAN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry

Özet:
Nişasta depo enerji kaynağı olarak birçok bitki tarafından üretilen doğal, yenilebilir ve biyobozunur bir polimerdir. Doğada en çok bulunan ikinci biyokütle malzemedir. Bu çalışmada 2 farklı nişasta çeşidi (mısır ve buğday) kullanılarak manyetik (Fe3O4) nanobiyokompozit malzemeler birlikte çöktürme yöntemiyle sentezlenmiş ve sentezde rol oynayan bazı deneysel parametrelerin (nişasta konsantrasyonu, NaOH konsantrasyonu ve nanopartiküllerin yaşlandırma süresi gibi) etkileri incelenerek sentez ürünlerinin farklılıkları ortaya konmuştur. Manyetik özelliği ile hızlı bir şekilde ayırım sağlayabilen ve toksik özelliği bulunmayan nişasta tabanlı manyetik-nanobiyokompozit malzemelerin Sr(II) iyonlarının sulu çözeltilerden giderilmesinde kullanılabilirliği araştırılmıştır .
Elde edilen nişasta temelli manyetik nanokompozit malzemelerin karakterizasyonu için XRD, FT-IR, VSM, BET yüzey alanı analizleri, SEM ve TEM görüntülemeleri ve zeta potensiyel ölçümleri yapılmıştır. Adsorpsiyona etki eden parametreler, tam faktöriyel deney tasarımı kullanılarak incelenmiştir. Adsorpsiyon çalışmamızda, pH, sıcaklık, başlangıç Sr (II) konsantrasyonu ve temas süresi dört bağımsız değişken olarak belirlenmiştir. En küçük kareler yöntemi kullanılarak regresyon katsayıları bulunmuş, tam faktöriyel deney tasarımdan elde edilen polinomal denkleme göre cevap yüzey grafikleri oluşturulmuştur. Tam faktöriyel deney tasarımı ile birlikte %95 güven aralığı içerisinde olan ANOVA (analysis of variance) analizi incelenmiş sonucunda model ile deneysel bulguların uyumuna bakılmıştır. Modelin önemlilik F değerinin P<0,05 ve model F değerinin MBNK_3 için 169,81 ve MMNK_3 için 17,19 olarak sonuçlanması, regresyonunun istatistikî olarak yüksek değer gösterdiğini belirtmektedir. Korelasyon katsayısı (R2) değerinin MBNK_3 için %99 ve MMNK_3 için %97 olarak sonuçlanması ise gözlenen değerler ile öngörülen değerler arasında yüksek bir uyumluluk olduğunu göstermektedir. 
Her bir etkenin, karelerinin ve etkenler arasında etkileşimin istatistiksel incelenmesi ve adsorpsiyon prosesine olan etkilerinin değerlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Her bir adsorpsiyon parametresinin incelenmesi sonucunda, ana etkilerden pH'nin ve derişimin MBNK_3 ile yapılan adsorpsiyon prosesinde arttırıcı yönde ve anlamlı bir değişikliğe yol açarken; zaman ve sıcaklığın ise istatistiksel olarak anlamlı bir değişikliğe yol açmadığı görülmüştür. Aynı şekilde MMNK_3 ile yapılan adsorpsiyon prosesinde derişim artırıcı yönde, pH, süre ve sıcaklığın ise istatistiksel olarak anlamlı bir değişikliğe yol açmadığı görülmüştür. Bununla birlikte MBNK_3 adsorbanı üzerine Sr(II) adsorpsiyonunda parametrelerin birlikte etkilerinin anlamlı olmadığı, sadece MMNK_3 adsorbanı üzerine Sr(II) adsorpsiyonunda derişim ve süresinin birlikte etkisi anlamlı bulunmuştur. 
Manyetik nanobiyokompozitin bileşimi ve kimyasal durumu Sr(II) adsorpsiyonu sonrasında XPS analizi ile incelenmiştir. 
Adsorpsiyon modelinin belirlenmesi için Langmuir, Freundlich ve Dubinin-Radushkevich izotermleri kullanılarak ilgili parametreler hesaplanmıştır. Ayrıca adsorpsiyon termodinamiğine ait değerler olan Gibbs serbest enerji değişimi, entalpi ve entropi değerleri hesaplanmıştır.

Abstract:
Starch is a natural, edible and biodegradable polymer produced by many plants as a storage energy source. It is the second most abundant biomass material in nature. In this study, magnetic (Fe3O4) nanobiocomposite materials were synthesized by co-precipitation method using 2 different starch types (corn and wheat). The effects of some experimental parameters (such as starch concentration, NaOH concentration and aging time of nanoparticles) that play a role in the synthesis were examined and the differences in the synthesis products were revealed. The usability of starch-based magnetic-nanobiocomposite materials, which can provide rapid separation with their magnetic properties and are not toxic, in removing Sr (II) ions from aqueous solutions has been investigated.
For the characterization of the starch-based magnetic nanocomposite materials obtained, XRD, FT-IR, VSM, BET surface area analyses, SEM and TEM imaging and zeta potential measurements were performed. The parameters affecting the adsorption were investigated using a full factorial experimental design. In our adsorption study, pH, temperature, initial Sr(II) concentration and contact time were determined as four independent variables. The regression coefficients were found using the least squares method, and the response surface graphs were created according to the polynomial equation obtained from the full factorial experimental design. ANOVA (analysis of variance) analysis within the 95% confidence interval of the model applied for the full factorial experimental design was examined and the compatibility of the model with the experimental findings was examine. The significance F value of the model resulted as P<0,05 and the model F value as 169,81 for MBNK_3 and 17,19 for MMNK_3, indicating that the regression showed a statistically high value. The correlation coefficient (R2) value resulted as 99% for MBNK_3 and 97% for MMNK_3, indicating a high compatibility between the observed values and the predicted values.
Statistical examination of each factor, its squares and the interaction between the factors and the evaluation of their effects on the adsorption process were carried out. Consequently the examination of each adsorption parameter, pH and concentration, which are the main effects, cause an increasing and significative change in the adsorption process with MBNK_3; time and temperature did not cause a statistically significative change. Likewise, in the adsorption process with MMNK_3, it was examined that there was statistically significative change in the concentration-increasing direction, while pH, time and temperature did not cause a statistically significative change. On the other hand, the combined effects of the parameters on the adsorption of Sr(II) on MBNK_3 adsorbent were not significative, but the effects of concentration and duration were found to be significative only in the adsorption of Sr(II) on MMNK_3 adsorbent.
The composition and chemical state of the magnetic nanobiocomposite were investigated by XPS analysis after Sr(II) adsorption.
For the purpose of determine the adsorption model, the relevant parameters were calculated using Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich isotherms. Also, Gibbs free energy change, enthalpy and entropy values, which are the values of adsorption thermodynamics, were calculated.