Sepiyolit kiline kuvaterner amin surfaktanlarının adsorpsiyonunun deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and theoritical investigation of quaternary amine surfaktant adsorbtion onto sepiolite clay
Yazar: DENİZ KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK ; YRD. DOÇ. DR. ADEM TEKİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, deneysel olarak elde edilen adsorbsiyon sonuçları ile hesaplamalı kimya yöntemleri kullanılarak bulunan sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.Sepiyolit, Si12Mg8O30(OH)4(H2O)4  8H2O formülü ile ifade edilen, fillosilikatler grubuna ait, magnezyum hidrosilikatten ibaret doğal bir kil mineralidir. Tetrahedral ve oktahedral düzenlenmiş oksitlerin istiflenmesi sonucu oluşan lifsi bir yapısı vardır ve lif ekseni boyunca uzanan kanal boşluklarına sahiptir.Zincir boyuna bağlı olarak benzen grubu içeren 14, 16 ve 18 karbonlu kuvaterner aminlerin ? 150 ? m boyutlu ham sepiyolit üzerine adsorpsiyonu incelenmiştir. Her bir yüzey aktif madde (YAM) için katı oranı, pH ve kıvam süresine bağlı olarak adsorpsiyon deneyleri yapılmıştır. Katı miktarı ve kıvam süresi belirlendikten sonra doğal pH ve 25 oC sıcaklıkta ilk YAM konsantrasyonuna bağlı olarak adsorpsiyon izotermleri, ardından da her bir YAM için 40 ve 60 oC'de adsorpsiyon izotermleri elde edilmiştir. Elde edilen adsorpsiyon verileri Langmuir ve Frumkin dahil olmak üzere dört adsorpsiyon modeline uyarlanmış ve uyumluluk dereceleri irdelenmiştir. Bu modeller kullanılarak serbest adsorpsiyon enerjisi ve adsorpsiyon ısıları hesaplanmış, hesaplanmış bu değerler vasıtası ile adsorpsiyon mekanizmasının tipi belirlenmiştir. Önerilen mekanizmanın doğruluğu zeta potansiyel sonuçları ışığında irdelenmiştir.Deneysel olarak elde ettiğimiz sepiyolit, kuvaterner amin tuzu ve sepiyolit-kuvaterner amin tuzlarina ait FT-IR spektrumları, teorik olarak hesaplananlarla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmaları yapabilmek için ilk olarak kuvaterner amin tuzunun sepiyolit kiline adsorbe olabileceği konumlar tespit edilmiştir. Tüm olasılıkları deneme yerine, en önemli olabilecek konfigürasyonlar kimyasal sezgiyi de kullanarak belirlenmiştir. Hem kuvaterner amin tuzunun hem de sepiyolitin çok fazla sayıda atom içermesi nedeniyle, iki sistem de adsorbsiyon olgusunu incelemeye imkan verecek ölçüde küçültülmüştür. Teorik çalışma kapsamında, TZVP/PBE teorik seviyede toplam optimizasyon enerji hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Burdan elde edilen optimal yapılar kullanılarak ikinci seviyede Moller Plesset Pertürbasyon (MP2) ve SCS-MP2 seviyede bağlanma enerji hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Deneysel ve teorik sonuçlar ışığında kuvaterner aminlerin sepiyolit yüzeyine adsorpsiyon mekanizması irdelenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the results of adsorption experiments were compared with the results of computational chemistry.Sepiolite, expressed by the formula of Si12Mg8O30(OH)4(H2O)4  8H2O, belongs to the group of phyllosilicate minerals. It is a natural clay mineral consisting of magnesium hydrosilicate. Tetrahedral and octahedral layers arranged in a fibrous structure of the oxides are formed as a result of stacking and fiber axis is along the channels.Adsorption of benzene ring containing quaternary amines with the chain length of 14, 16 and 18-carbons on ?150 ? m raw sepiolite was investigated. Each surface active agent (SAA) was tested as a function of solids concentration, conditioning time, pH and viscosity. After determining the solids concentration and optimum conditioning time, the tests were continued at the natural pH and 25 ° C at various surfactant concentrations. Adsorption isotherms of the surfactants were then constructed at 40 and 60 oC. Adsorption data obtained from the Langmuir and Frumkin models were fit to the experimental data to find their compatibility. These models were used to calculate the heat of adsorption from which the type of adsorption whether it is chemical or physical was established along with the adsorption mechanism. Zeta potential results were also interpreted in the light of the proposed mechanisms.In this study, the adsorption sites of quaternary amine salt on sepiolite were investigated using both experimental and theoretical techniques. In this respect, experimental IR spectra of sepiolite, quaternary amine salt and sepiolite-quaternary amine salt complex were compared to the outcome of the theoretical findings. To be able to perform such a comparison, first possible adsorption positions of quaternary amine salt onto the sepiolite was located (Since it is not possible trying all possibilities, the most important adsorption sites have been detrmined also using the chemical intuation). Since both of quaternary amine salt and sepiolite contain many atoms, these two systems were modelled by taking a representtative portion of the real systems. To study the adsorption phenomena, all systems considered in this study were relaxed at the TZVP/PBE level of theory. This is followed by the binding energy calculations performed at the MP2 and SCS-MP2 levels.