Tarımsal uygulamalarda kullanılması amacıyla komposit hidrojel malzemelerin hazırlanması
Preparation of composite hydrogel materials for agricultural applications
Yazar: TUBA ERŞEN DUDU
Danışman: PROF. DR. NAHİT AKTAŞ
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology ; Ziraat = Agriculture
Dizin: Absorpsiyon = Absorption ; Hidrojeller = Hydrogels ; Sülfat = Sulfate ; Tarım = Agriculture ; Üre gübreleri = Urea fertilizers

Özet:
Sunulan tezde, dimetil akrilamit (DMAAm), maleik asit (MA) ve Nişastadan oluşan bir seri komposit hidrojel sentezlenmiştir. Metilenbisakrilamit çapraz bağlayıcı olarak kullanılmış ve bu komposit hidrojellerin tarımsal amaçlı kullanılabilirliği araştırılmıştır. Sentez redoks polimerizasyon tekniği ile gerçekleştirilmiş ve sentezlenen komposit hidrojellerin yüzeyi asit ve baz ile modifiye edilmiştir. Kullanım amacına uygun olarak; saf su, kuyu suyu, musluk suyu, baraj suyu ve farklı pH değerlerinde şişme, Fourier Transform Infrared Spektrofotometre ve Termogravimetrik analiz cihazları kullanılarak yapısal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Komposit hidrojel yapısına MA ve Nişastanın eklenmesi ile hidrojellerin denge şişme değerlerinin arttığı gözlenmiş ve en yüksek denge şişme değeri p(DMAAm-ko-MA-ko-Nişasta)/NaOH komposit hidrojeli için ölçülmüştür. 
Ayrıca sentezlenen komposit hidrojeller bitkiler için besin kaynağı olan üre ve sülfat iyonu absorpsiyonunda absorbent olarak kullanılmıştır. Absorpsiyon çalışmaları farklı üre ve sülfat iyonu konsantrasyonlarında, farklı pH değerlerinde ve farklı sıcaklık ortamlarında (oC) gerçekleştirilmiş ve komposit hidrojellerin absorpsiyon performansları araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre sentezlenen komposit hidrojellerin üre ve sülfat iyonu absorpsiyonu için iyi bir absorbent olacağı düşünülmüştür. 
Absorpsiyon çalışmaları tamamlandıktan sonra farklı pH değerlerinde, kuyu ve musluk suyu ortamlarında komposit hidrojellerin salım davranışları ve salım kinetikleri incelenmiştir. Farklı pH ve farklı su ortamlarında yapılan analizlerin sonuçları, tüm komposit hidrojellerin kümülatif iyon (üre ve sülfat iyonu için) salım miktarlarının % 10 ile % 100 arasında değiştiğini ve yavaş salımın gerçekleştiğini göstermiştir. Salım davranışları Sıfırıncı Derece Kinetik Model, Birinci Derece Kinetik Model, Higuchi Modeli, Korsemeyer-Peppas Modeli ile incelenmiştir. Salım kinetiğinin Korsemeyer-Peppas Modeline uyduğu sonucuna ulaşılmıştır.
Çalışmanın son aşamasında ise üre ve sülfat iyonu yüklü komposit hidrojellerin tarımsal alanlarda kullanımının araştırılması amaçlanmıştır. Şişme, absorpsiyon ve salım deneyleri esas alınarak p(DMAAm-ko-MA-ko-Nişasta), p(DMAAm-ko-MA-ko-Nişasta)/HCl ve p(DMAAm-ko-MA-ko-Nişasta)/NaOH esaslı üç tür üre yüklü komposit hidrojelin kullanılmasına ve marul bitkisinin gelişimi üzerindeki etkilerinin incelenmesine karar verilmiştir. Deneme süresince bitki boyu, gövde çapı, yaprak sayısı, klorofil ve renk değerleri takip edilerek marul bitkisinin gelişimi üzerinde komposit hidrojellerin etkileri kontrol edilmiştir. Ayrıca denemenin son iki ayı bitkiye kuraklık stresi uygulanmış ve bitkinin verdiği tepkiler izlenmiştir. Deneme sonunda elde edilen veriler ve fotoğraflar sentezlenen komposit hidrojellerin toprak ve bitki yapısı için toksik olmadıklarını, toprak ve bitkilerin ihtiyacı olan nem ve gübreyi rahatlıkla yapılarında tutabildiklerini ve aynı zamanda kontrollü ve uzun sürede salabildiklerini göstermiştir.

Abstract:
In the present thesis, a series of composite hydrogels from dimethyl acrylamide (DMAAm), maleic acid (MA) and starch were synthesized. Methylenebisacrylamide was used as a cross-linker during preparation of composite hydrogels. The suitability of those composite hydrogels for agricultural purposes were investigated. Composite hydrogels were synthesized via a redox polymerization technique and the surface of the synthesized composite hydrogels was modified using acids and bases. Characterization of the synthesized composite hydrogels were studied. Their swelling behaviors were conducted in pure, well, tap, dam water, and under different pH values. The structural characterizations were carried out using Fourier Transform Infrared Spectrophotometer and Thermogravimetric Analyzer. It was observed that the equilibrium swelling values of composite hydrogels increased with the addition of MA and Starch to the polymerization reactions. The highest equilibrium swelling value was measured for p(DMAAm-co-MA-co-Starch)/NaOH composite hydrogel.
Synthesized composite hydrogels were also tested as absorbents for the absorption of urea and sulfate ions, which are nutrient sources for plants. Absorption experiments were carried out at different concentrations of urea and sulfate ions, different pH values, and different temperatures (oC). The absorption performances of composite hydrogels were investigated. It was observed that synthesized composite hydrogels were good absorbents for urea and sulfate ions.
After the absorption studies, the release behaviors and release kinetics of composite hydrogels were investigated at different pH values, and under well and tap water environments. The results of analyzes at different pH and different aquatic media have shown that the cumulative ions (for urea and sulfate ion) release of the composite hydrogels varies between 10 % and 100 %, and the release occurs slowly. The release kinetics of composite hydrogels were also computed with Zero Degree Kinetic Model, First Degree Kinetic Model, Higuchi Model, Korsemeyer-Peppas Model. It was evaluated that Korsemeyer-Peppas Model was the best fitted model.
In the last phase of the study, the suitability of composite hydrogels loaded with urea for agricultural purposes were invesitgatied. Based on the results of the swelling, absorption, and release experiments, three types of urea-loaded composite hydrogels (p(DMAAm-co-MA-co-Starch), p(DMAAm-co-MA-co-Starch)/HCl, and p(DMAAm-co-MA-co-Starch)/NaOH) were deemed to have potential in that regard, and their effects on the growth rate of lettuces were studied. During the investigation, plant size, stem diameter, number of leaves, and chlorophyll and color values were monitored to measure the effects of composite hydrogels on the development of the plants. In addition, drought stress was applied to the plants in the last two months of the study and the response of the plants was observed. The data and photographs obtained at the end of the study indicate that the synthesized composite hydrogels were not toxic to the soil and plant structure. The plants could easily acquire and keep the moisture and fertilizers as they needed, and at the same time, they could release them over a long time and controlled manner.