Toksik anyon ve katyonların kaliksarenler kullanılarak nanofiltrasyon ve adsorpsiyon teknikleriyle giderilmesi
Removal of toxic anions and cations with nanofiltration and adsorption techniques by using calixarenes
Yazar: MUSTAFA TABAKCI
Danışman: PROF.DR. MUSTAFA YILMAZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışma, polimerik yapıda kaliks[n]aren (n = 4 ve 6) türevlerinin hazırlanarakseçilmiş toksik metal katyonlarının (Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Hg2+ ve Pb2+) ve dikromatanyonunun (Cr2O72-) sorpsiyon çalışmalarında sorbent olarak kullanılmasını ve ayrıca sudaçözünen kaliks[n]aren (n = 4 ve 6) türevlerinin sentezlenerek dikromat anyonununnanofiltrasyon-kompleksleşme metoduyla giderilmesi çalışmalarında ligand olarakkullanılmasını içermektedir. Bu amaçla sorpsiyon çalışmalarında kullanmak içinkaliks[n]aren bazlı polimerik sorbentler (6, 8, 9, 10, 15, 20, 24 ve 25) hazırlanırken,nanofiltrasyon-kopleksleşme çalışmalarında kullanmak için ise suda çözünen kaliks[n]arenbileşikleri (27, 28 ve 30) sentezlendi ve hazırlanan bu bileşiklerin yapıları, FTIR, 1H NMR,element analiz, TGA ve SEM gibi yapı analiz teknikleri kullanılarak aydınlatıldı.Sorpsiyon çalışmaları, hem batch-tipi hem de kolon-tipi olmak üzere iki şekildegerçekleştirildi. Metallerin batch-tipi sorpsiyon çalışmalarında kaliksaren bazlı APS-bağlıpolimerler (6, 15 ve 20), polisiloksan polimerleri (8 ve 9) ve kitosan-bağlı polimer (10), tümmetal katyonlarını yüksek oranlarda sorpladı. Buna karşın selüloz-bağlı polimer 24, tümmetal katyonları için etkili olmazken selüloz-bağlı diğer polimer 25, düşük miktarlardasorpsiyon gösterdi ve bu polimer ile hem sorbent miktarının hem de temas süresinin etkisiincelendi. Sonuçlardan sorbent miktarının ve temas süresinin artmasıyla sorpsiyon verimininde arttığı gözlendi. Sorbentlerden polimer 6 ve metal olarak ta bakır seçilerek optimumsorpsiyon pH'ı 6,0 olarak tespit edildikten sonra bu pH'ta kesikli kap sorpsiyon çalışmasıyapıldı ve elde edilen değerlerden Freundlich, Langmuir ve D-R izotermi çizilerek sorpsiyonmekanizması aydınlatılmaya çalışıldı. Ayrıca aynı şekilde farklı sıcaklıklarda yapılansorpsiyon çalışmaları ile de sorpsiyon termodinamiği incelendi. Metallerin kolon-tipiçalışmalarında da polimer 6 ve bakır metali seçildi. Sonuçlardan breakthrough eğrileri çizildive matematiksel modellemeler (Thomas, Yoon-Nelson ve Bohart-Adams) yapılaraksorpsiyon özellikleri değerlendirildi.Dikromat anyonunun farklı pH'lardaki batch-tipi sorpsiyon çalışmalarında isekaliksaren bazlı APS-bağlı polimerler (6, 15 ve 20), kitosan-bağlı polimer (10) ve selüloz-bağlı polimer 25, özellikle pH 1,5'ta çok yüksek oranlarda, polisiloksan polimerleri (8 ve 9)ise orta oranlarda dikromat anyonunu sorpladı. Buna karşın diğer selüloz-bağlı polimer 24,düşük miktarlarda sorpsiyon gösterdi ve bu polimer ile hem sorbent miktarının hem de temassüresinin etkisi incelendi. Sonuçlardan sorbent miktarının ve temas süresinin artmasıylasorpsiyon veriminin de arttığı gözlendi. Dikromat anyonunun kolon-tipi çalışmalarında,sorbent olarak polimer 6 ve pH olarak da 1,5 seçildi. Sonuçlardan breakthrough eğrileriçizildi ve matematiksel modellemeler yapılarak sorpsiyon özellikleri değerlendirildi.Nanofiltrasyon-kompleksleşme çalışmaları, sentezlenen suda çözünebilenkaliksarenler kullanılarak dikromat anyonunun sulu çözeltiden giderilmesi içingerçekleştirildi. Bunun için ilk olarak pH 3,0'ün altında suda çözünen p-aminokaliks[4]aren(28) ligand olarak kullanıldı ve dikromat anyonunu sulu çözeltiden %33,3 oranında giderdiğigözlendi. kinci çalışmada ise p-sülfonatokaliks[4]aren (27) ligand olarak kullanıldı ve deneyşartlarında pH 9,4'te yüksek oranlarda dikromat anyonunu sulu çözeltiden giderdiğigözlendi. Halka boşluk hacminin önemini incelemek amacıyla p-sülfonatokaliks[6]arenin(30) ligand olarak kullanılması sonucu halka boşluk hacminin de dikromat anyonugiderilmesinde etkili olduğu anlaşıldı.Anahtar Kelimeler: toksik metaller, dikromat anyonu, polimerik kaliksarenler,adsorpsiyon, suda çözünen kaliksarenler, nanofiltrasyon.

Abstract:
This study contains the preparation of polymeric calix[n]arene (n = 4 and 6)derivatives and their application in adsorption studies of some selected toxic heavy metalcations and dichromate anion, and also the synthesis of water-soluble calix[n]arene (n = 4 and6) derivatives and their application in nanofiltration-complexation studies as ligand for theremoval of dichromate anion. For this goal firstly new polymeric calix[n]arene-based sorbents(6, 8, 9, 10, 15, 20, 24 and 25) were prepared to use in sorption studies, and also water-solublecalix[n]arene compounds (27, 28 and 30) were synthesized to use in nanofiltration-complexation studies. All compounds prepared above were characterized by FTIR, 1H NMR,elemental analysis, TGA and SEM techniques.The sorption studies were carried out by using both batch and column techniques. Inthe batch-wise sorption studies of metal cations, calixarene-based polymers (6, 15, and 20),polysiloxane polymers (8 and 9) and chitosan-supported polymer (10) sorbed the all metalcations in high ratios. In spite of this, cellulose-supported polymer 24 did not sorb any ofthem. Although its sorption yield was low, cellulose-supported polymer 25 was used assorbent to examine the effect of sorbent dosage and contact time on sorption. From the results,it was observed that sorption yield increased when the sorbent amount and contact time wasincreased. After the determination of optimum pH as 6,0 by using good sorbent 6 and Cu2+metal, the cutted-flask sorption study was performed at optimum pH and it was tried toexplain the sorption mechanism with Freundlich, Langmuir and D-R isotherms. At the sametime it was examined the sorption thermodynamic by carrying out the adsorption studies atdifferent temperatures. For the column sorption studies of metal cations, polymer 6 and Cu2+metal cation were selected. From the results, breakthrough curves were drawn and sorptionproperties of 6 for Cu2+ were evaluated by designing mathematical models such as Thomas,Yoon-Nelson and Bohart-Adams.In the the batch-wise adsorption studies of dichromate anion, especially at pH 1,5,calixarene-based polymers (6, 15, and 20), chitosan-supported polymer (10) and cellulose-supported polymer 25 sorbed dichromate anion in very high yields. In case of polysiloxanepolymers (8 and 9) sorbed dichromate anion in middle ratios. In spite of this cellulose-supported polymer 24 was performed sorption in low amounts and used in the examination ofeffect of sorbent dosage and contact time. From the results, it was observed that sorption yieldincreased when the sorbent amount and contact time was increased. In column adsorptionstudies of dichromate anion, polymer 6 and pH 1,5 were selected here again. From the results,breakthrough curves were drawn and sorption properties of 6 for dichromate anion at pH 1,5were evaluated by designing mathematical models such as Thomas, Yoon-Nelson and Bohart-Adams.Naofiltration-complexation studies were carried out by using the synthesized water-soluble calixarenes above for removal of dichromate anion from aqueous solutions. For thisgoal, preliminary water-soluble p-aminocalix[4]arene (28) under pH 3,0 was used as ligand atpH 2,5 and it was observed that 27 removed dichromate anion in 33,3 percent from aqueoussolutions. In second experiment of nanofiltration-complexation studies, p-sulfonatocalix[4]arene (27) was used as ligand and it was observed that 27 removeddichromate anion from aqueous solutions under experimental conditions at pH 9,4, in highratios. To understand the importance of calixarene cavity, p-sulfonatocalix[6]arene (30) wasused as ligand and it was understood that calixarene cavity-size effected the removal ofdichromate anion.Keywords: toxic metals, dichromate anion, polymeric calixarenes, adsorption, water-soluble calixarenes, nanofiltration.