Aljinat aşı kopolimerlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
The preparation and characterization of alginate graft copolymers
Yazar: EYLEM YALDIZLI
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN GÜRDAĞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atomik soğurma spektroskopi = Atomic absorption spectroscopy ; Differensiyel tarama kalorimetresi = Differential scanning calorimetry ; FTIR = FTIR ; Mikroskopi-elektron taramalı = Microscopy-electron scanning ; X ışını kırınımı yöntemi = X ray diffraction method

Özet:
Ağır metal iyonlarından kaynaklanan çevre kirliliği ve canlıların ağır metal iyonlarına maruz kalışı endüstriyel prosesler ve ürünlerde giderek artan kullanımları nedeniyle son yıllarda artmıştır. Bu nedenle bunların uzaklaştırılması çevre ve insan sağlığı için çok önemlidir. Mevcut 20'den fazla ağır metal arasında insan sağlığı için en zararlı olanları Hg, Cd, Pb, As, Cr, Cu ve Zn'dur. Doğal bir polisakkarit olan sodyum aljinat (NaAlg), non-toksik, biyouyumlu, biyobozunabilir ve biyoyapışma özelliklerine sahiptir ve atık sulardan ağır metal iyonu ve boya uzaklaştırılması, ısı ve ses izolasyonu ile kontrollü ilaç salım prosesleri gibi birçok alanda kullanılmaktadırlar.Bu çalışmada sodyum aljinat (NaAlg) üzerine itakonik asit (IA) aşılanarak Na-Alg-g-PIA kopolimeri elde edilmiştir. Kopolimerler seryum amonyum nitrat (CAN)/HNO3 redoks başlatıcı sistemi kullanarak, 30 oC sıcaklıkta, azot gazı atmosferinde, 6 saatlik reaksiyon süresinde hazırlanmıştır. Aşı kopolimerizasyonu üzerine NaAlg, IA, CAN ve HNO3 konsantrasyonunun etkisi incelenmiş ve en yüksek graft %'sini (%41) sağlayan optimum reaksiyon şartları; 1 g NaAlg için; [IA]=0.24 M, [CAN]:=2x10-2 M ve [HNO3]=6x10-2 M olarak tespit edilmiştir. Ayrıca çapraz bağlanmanın da aşı kopolimerizasyonuna etkisi incelenmiş ve bunun için glutaraldehit (GA) ve hidroksiapatit (HA) çapraz bağlayıcı olarak kullanılmıştır. Hazırlanan kopolimer (Na-Alg-g-PIA) yarışmasız ortamda sulu çözeltiden Pb2+ ve Cu2+ iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanılmıştır. Aşı kopolimerinin metal uzaklaştırma(3,83 mmol Cu(II)/g polimer ve 3,44 mmol Pb(II)/g polimer ) kapasitesinin NaAlg'inkinden ( 2,08 mmol Cu(II)/g polimer ve 1,89 mmol Pb(II)/g polimer) daha yüksek olduğu bulunmuştur. Metal iyonu adsorpsiyonu atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) yöntemi ile incelenmiştir. Hazırlanan aşı kopolimerlerinin graft yüzdesi ve destile sudaki şişme denge değerleri tespit edilmiştir. NaAlg-g-PIA kopolimeri ve metal iyonu adsorblamış NaAlg-g-PIA'nın karakterizasyonu bir başka deyişle metal iyonu adsorpsiyonu, FTIR yöntemi ile de incelenmiştir. Aşı kopolimerin FTIR spektrumunda 1723 cm-1'de tespit edilen bant, IA'ın NaAlg üzerine aşılandığını göstermektedir. Aşı kopolimeri ve NaAlg'in DSC eğrilerinde camsı geçiş sıcaklıkları tespit edilememiştir. Ayrıca NaAlg ve aşı kopolimeri XRD, SEM ve EDS yöntemi ile karakterize edilmiş ve metal adsorplamış NaAlg ve aşı kopolimerinin rejenerasyonu gerçekleştirilmiştir. SEM ve EDS incelemeleri sırasında, NaAlg-g-PIA kopolimerinin, kopolimerizasyon sırasında kullanılan CAN'dan dolayı Ce4+ içerdiği ve bu Ce4+'ün metal iyonu adsorpsiyonu sırasında da tamamen uzaklaşmadığı (Pb2+ veya Cu2+ ile yer değitirmediği) tespit edilmiştir. NaAlg-g-PIA'nın rejenerasyon yüzdesinin (ortalama %92) NaAlg'inkinden (ortalama % 82)daha yüksek olduğu bulunmuştur. NaAlg'in viskozite ortalama molekül ağılığı (225000 g/mol) Ubbelohde viskozimetresi kullanılarak tespit edilmiştir.Anahtar Kelimeler: sodyum aljinat, itakonik asit, aşı kopolimerizasyonu, ağır metal uzaklaştırılması.

Abstract:
Environmental pollution and the subjection of humans to heavy metals are increasing in recent years due to increase in their uses in various industrial processes and products. For that reason, the removal of heavy metal ions is very important for the environment and human health. Among the heavy metals, which are present, more than 20, the most harmful ones for the human health are Hg, Cd, Pb, As, Cr, Cu and Zn. Sodium alginate ( NaAlg ) is a natural polysaccharide and in non-toxic, biocompatible, biodegradable and bioadhesive in nature and it can be used in the applications of removal of dye and heavy metal ions from wastewater; the isolation of heat and noise reduction; and controlled drug release processes.In this study, alginate graft copolymer (NaAlg-g-PIA) was synthesized by the grafting of itaconic acid (IA) onto sodium alginate (NaAlg). The synthesis of graft copolymer was performed in aqueous solution of alginate at 30 oC using CAN/HNO3 as initiator system, , under nitrogen atmosphere during 6 hours. The effects of NaAlg, IA, CAN ve HNO3 concentrations on the graft copolymerization were investgated and the optimum reaction condition providing the highest amount of grafting (%41) was determined to be, [IA]=0.24 M, [CAN]=2x10-2 M ve [HNO3]=6x10-2 M for 1 g NaAlg. In addition the effect of crosslinking on the grafting, glutaraldehyde (GA) and hydroxyapatite (HA) were used as crosslinker. The synthesized graft copolymer (NaAlg-g-PIA) was used in the removal of Pb2+ and Cu2+ ions from aqueous solution under non-competitive conditions. It was determined that the metal adsorption capacity of graft copolymer (3,83 mmol Cu(II)/g polymer and 3,44 mmol Pb(II)/g polymer)is greater than that of NaAlg ( 2,08 mmol Cu(II)/g polimer ve 1,89 mmol Pb(II)/g polimer). The adsorption of heavy metal ions was investigated by Atomic Absorption Spectrometer (AAS). The grafting yield and the equilibrum swelling values of NaAlg-g-PIA copolymer in distilled water were also determined. The characterization of NaAlg-g-PIA and metal ion-adsorbed NaAlg-g-PIA copolymer, in other words, the adsorption of metal ion was also investigated by FTIR. FTIR spectra of NaAlg-g-PIA, about 1723 cm-1 confirmed the grafting of IA onto NaAlg. Glass transition of both NaAlg and NaAlg-g-PIA could not be determined from their DSC curves. NaAlg-g-PIA was also characterized by XRD, SEM and EDS methods, and the regeneration of metal adsorbed NaAlg and NaAlg-g-PIA was performed. SEM and EDS studies revealed that NaAlg-g-PIA contains Ce4+ ions due to CAN used as initiator during the copolymerization, and Ce4+ ions can not be removed completely during the metal ion adsorption (this Ce4+ ion does not ion-exchange by Pb2+ or Cu2+ions). The regeneration percentage of NaAlg-g-PIA (average % 94)was found to be higher than that of NaAlg (average %82). The viscosity average molecular weight of NaAlg was determined (225000 g/mol) by using Ubbelohde viscometer.Key words: sodium alginate, itaconic acid, grafting, metal removel.