Radyoaktif sezyum ve stronsiyumun polimerik maddeler üzerinde adsorpsiyonu
Adsorption of radioactive cesium and strontium on polymeric materials
Yazar: KAYHAN KUBAT
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN ATUN ; PROF. DR. TÜLİN BANU İYİM
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Radyoaktif iyonlar (90Sr, 137Cs) ile çevresel kirlenme nükleer parçalanma ürünlerinden ve nükleer reaktörlerden gelen sızıntılardan kaynaklanmaktadır. Atık sulardan radyoaktif iyonların uzaklaştırılmasında en önemli konu, radyoaktif iyonları seçimli, etkili ve büyük miktarlarda soğurabilecek malzemeler tasarlamaktır.  Polimerik soğurucuların sentez koşullarında değişiklik yapılması, farklı yapılarda gözenekli polimerler üretimini mümkün kılar.  Farklı fonksiyonel gruplar içeren monomerlerin kullanımı elde edilecek polimerlerin yüzey özellikleri değiştirilerek seçimli soğurma yeteneği kazandırılabilir.  

Polimerin sentezlenmesi sırasında ortama katılan model iyonlar ile polimerin fonksiyonel grupları arasında bir bileşik oluşturulabilir.  Polimer şebekesi içinde bağlanan iyonların uzaklaştırılması ile oluşacak boşlukların, bu iyonların seçimli soğrulması için aktif merkezler olması beklenir.  Bu şekilde hazırlanan iyon damgalı polimerler soğurmada yüksek seçicilik gösterebilirler.

Bu çalışma kapsamında, radyoaktif sezyum ve stronsiyum iyonlarını soğuracak ve sulu ortamlardan uzaklaştıracak polimerlerin elde edilmesi amaçlanmaktadır.  Bu süreçte, İyon Damgalama Tekniği uygulandı ve farklı fonksiyonel gruplar içeren 2-Akrilamido-2-metilpropan sulfonik asid (AMPS), 2-hidroksiletil metakrilat (HEMA), Akrilamid (AAm) monomerleri kullanıldı. Polimer yapısının karakterizasyonu için XRD, SEM – EDS ve FTIR analizleri uygulandı.
 
Sezyum iyon damgalama yöntemi ile yapılan polimerler ile kinetik çalışması yapılarak elde edilen veriler yalancı 1. derece ve yalancı 2. derece kinetik modeline uygulandı. Polimerlerin su tutma kapasiteleri hesaplanarak Vermeulen difüzyon modeline uygulandı.

Sentezlenen polimerler ile bu polimerlerin iyon damgalama yöntemi uygulanmış türleri için adsorpsiyon denemeleri yapılarak adsorpsiyon denge değerleri bulundu. Elde edilen veriler Freundlich ve Langmuir adsropsiyon teorilerine uygulanarak ilgili katsayılar hesaplandı ve adsorpsiyon izotermleri çizildi. Ayrıca İyon damgalama yönteminin seçimli adsorpsiyon üzerine etkisi çalışıldı.
AMPS ile hazırlanan polimer hidrojellerin hem Sr hem de Cs için HEMA ve akrilamid (AA) ile hazırlananlardan daha yüksek kapasiteye sahip olduğu görülmüştür. Sr++ iyonu ile damgalanmış AMPS, AAm ve HEMA hidrojellerin kapasiteleri sırasıyla 0,966, 0,108 ve 0,056 mmol/g dır oysa karşılık olan Cs-ion damgalı polimerler  0,973, 0,038 ve 0,033 mmol/g sırasını izler.

Abstract:
Environmental contamination with radioactive ions (90Sr, 137Cs) is due to leakage from nuclear reactors and nuclear fission product. The most important issue for the removal of radioactive ions from waste water is to design materials which are able to adsorb radioactive ions selectively, efficiently and in large quantities. The modification on the synthesis conditions of polymeric sorbents that makes possible to produce polymers of different porous structures. The polymers derived by using monomers containing different functional groups that could be gained ability of selective adsorption by changing the surface properties of these polymers.  

During the synthesis of polymers the complex can be formed between functional groups of the polymer with target ions involved in the media. That will be formed cavities with removing of the ions in the polymer network are expected to be active sites for selective adsorption of these ions. The ion imprinted polymers prepared in this manner show a high selectivity on adsorption.  

This scope of work, the polymers is intended to obtain by adsorped of radioactive cesium and strontium to remove polymers from aqueous media. In this process, Ion imprinting Technique applied and monomers containing different functional groups 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS), 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA),  Acrylamide (AAm) were used. For the characterization of polymer structure XRD, SEM – EDS and FTIR analyzes were applied.

Kinetic studies were carried out using polymers made with the cesium ion imprinting method and the obtained data were applied to the pseudo 1st order and the pseudo 2nd order kinetic model. The water retention capacities of the polymers were calculated and applied to the diffusion model of Vermeulen.

For Synthesized polymers and the ion-imprinted metods applied types of these polymers adsorption experiments were carried out and adsorption equilibrium values were found. The obtained data were applied to Freundlich and Langmuir adsorption theories and the corresponding coefficients were calculated, and adsorption isotherms were drawn. In addition, the effect of Ion imprinting method on selective adsorption was studied.
It has been shown that polymer hydrogels prepared with AMPS have higher sorption capacities for both Sr and Cs ions than those of HEMA and acrylamide (AAm). Experimentally attainable capacities of Sr-ion imprinted AMPS, AAm and HEMA polymers are 0,966, 0,108 and 0,056 mmol/g, respectively, while they follow the order 0,973, 0,038 and 0,033 mmol/g for the respective Cs-ion imprinted polymers.