Sulardan ağır metal giderimi için alg bazlı biyonanolif sorbentlerinin geliştirilmesi
Development of algae-based bionanofiber sorbents for heavy metal removal from waters
Yazar: FATMA RABİA KARADUMAN
Danışman: DOÇ. DR. SANİYE TÜRK ÇULHA ; DOÇ. DR. NESRİN HORZUM POLAT
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Su Ürünleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry ; Su Ürünleri = Aquatic Products
Dizin: Algler = Algae ; Biyosorpsiyon = Biosorption

Özet:
Tez çalışması kapsamında sulardan kadmiyum, Cd(II) ve kurşun, Pb(II) metal iyonlarının gideriminde kullanmak amacıyla C. barbata, poliakrilonitril (PAN) polimerine ilave edilerek elektroeğrilmiş C. barbata/PAN nanolifler üretilmiştir. Sorpsiyon sürecinde daha fazla metal bağlanma yeri sağlayan yüzey alanı özelliği, C. barbata'nın PAN polimeri ile nanolif haline dönüşmesi ile kazandırılmıştır. Toz C. barbata'ya (4,00 m2 g-1, 15,42 nm ve 0,021 cm3 g-1) göre daha yüksek yüzey alanı ve daha düşük gözenek boyutunun yanı sıra, daha düşük gözenek hacmi sağlanmış, optimum özellik %5 katkılı C. barbata katkılı PAN nanolifinde (8,77 m2 g-1, 11,96 nm ve 0,034 cm3 g-1) belirlenmiştir. PAN nanolifine kıyasla artan alg konsantrasyonu ile biyobozunurluğun arttığı ve en yüksek bozunma konsantrasyonu %20 katkılı alg içeriğindeki nanolifte olduğu saptanmıştır. Mekanik özelliklerine bakıldığında ise elastisite modülü en yüksek %1 katkılı C. barbata/PAN nanolifi olup, daha rijit özellik göstermiştir. Cd(II) ve Pb(II) metal iyonlarının C. barbata/PAN sorpsiyonunda çalkalama süresi, alg yüzdesi, sorbent miktarı, pH, başlangıç iyon etkisi, girişimci türler ve seçicilik incelenmiştir. Buna göre, Pb(II) metali için 5 mg %5 katkılı C. barbata/PAN; 60 dakika, pH 4,0, 100 μg L-1 başlangıç iyon konsantrasyonunda yüksek sorpsiyon yüzdesine (%88,89) sahiptir. Cd(II) metali için ise benzer şekilde 5 mg %5 katkılı C. barbata/PAN; 30 dakika, pH 7,0, 50 μg L-1 başlangıç iyon konsantrasyonunda yüksek sorpsiyon yüzdesi (%97,97) göstermiştir. Her iki metal iyonu kıyaslandığında nanolif sorbentinin Pb(II) metaline göre Cd(II) metaline daha seçici davrandığı belirlenmiştir. Kesikli sorpsiyon sonrası nanolif sorbentin sürekli akış altında uygulanabilirliği Cd(II) metali için test edilmiştir. %5 katkılı C. barbata/PAN sorbentin tekrar kullanılabilirliğinde, 0,3 mL min-1 akış hızı,pH 7,0 ve 100 μg L-1 başlangıç konsantrasyonu ile 8 ardışık Cd(II) çözeltisi kolondan geçirilmiş ve %99 sorpsiyon yüzdesi elde edilmiştir. Desorpsiyon ajanı olarak CaCl2 kullanılmış ve altı sorpsiyon/desorpsiyon döngüsünde sorpsiyon yüzdesinde bir kayıp oluşmamıştır. Cd(II) metali geri kazanımında, %76,9 üzerinde desorpsiyon değeri tespit edilmiştir. Sorpsiyon sonrası nanoliflerin karakterizasyonunda, karboksil ve sülfonil fonksiyonel gruplarının metal sorpsiyonunda aktif rol oynadığı bulunmuştur. Sonuç olarak, bu doktora tezi kapsamında C.barbata/PAN nanolifinin Cd(II) ve Pb(II) metalleri için iyi bir sorbent olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Electrospun Cystoseira barbata (C. barbata)/polyacrylonitrile (PAN) nanofibers were fabricated by adding C. barbata to PAN polymer to use in the removal of cadmium, Cd(II) and lead, Pb(II) metal ions from waters within the scope of the thesis study. The surface area characteristics, which provide more metal binding sites in the sorption process, are gained by the transformation of C. barbata into nanofibers with PAN polymer. Compared to powdered C. barbata (4.00 m2 g-1, 15.42 nm, and 0.021 cm3 g-1), higher surface area and lower pore size, as well as lower pore volume, were provided, and the optimum property was determined in PAN nanofiber with 5% C. barbata (8.77 m2 g-1, 11.96 nm, and 0.034 cm3 g-1). It was determined that the biodegradability increased with increasing algae concentration with respect to PAN nanofiber, and the highest degradation concentration was found in nanofiber with 20% doped algae content. Considering its mechanical properties, the highest modulus of elasticity was 1% doped C. barbata/PAN nanofiber and it showed more rigidity. In the sorption of Cd(II) and Pb(II) metal ions by C. barbata/PAN, shaking time, algae percentage, sorbent amount, pH, initial ion effect, interfering species, and selectivity were investigated. Accordingly, 5 mg of 5% C. barbata doped PAN nanofibers for Pb(II) metal has a high sorption percentage (88.89%) at the initial ion concentration of 100 μg L-1 at 60 minutes and pH 4.0. Similarly, 5 mg of 5% doped C. barbata/PAN nanofibers for Cd(II) metal showed a high sorption percentage (97.97%) at the initial ion concentration of 50 μg L-1 at 30 minutes, pH 7.0. When both metal ions were compared, it was determined that nanofiber sorbent was more selective to Cd(II) metal than Pb(II) metal. After batch sorption, the applicability of nanofiber sorbent under continuous flow was tested for Cd(II) metal. In the reusability of 5% doped C. barbata/PAN sorbent, 8 consecutive Cd(II) solutions were passed through the column with a flow rate of 0.3 mL min-1, pH 7.0, and an initial concentration of 100 μg L-1, and a sorption percentage of 99% was obtained. CaCl2 was used as the desorption agent and no loss in sorption percentage occurred in six sorption/desorption cycles. In the recovery of Cd(II) metal, a desorption value of over 76.9% was determined. In the characterization of nanofibers after sorption, carboxyl and sulfonyl functional groups were found to play an active role in metal sorption. As a result, within the scope of this doctoral thesis, it was determined that C. barbata/PAN nanofiber is a good sorbent for Cd(II) and Pb(II) metals.