Ağır metal iyonlarının membran filtrasyon ile giderimi ve voltametrik tayinine yönelik grafen esaslı esnek materyallerin üretimi
Production of graphene-based flexible materials for removal of heavy metal ions by membrane filtration and voltammetric determination
Yazar: ELİF ERÇARIKCI
Danışman: PROF. DR. MURAT ALANYALIOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Ağır metal giderimi = Heavy metal removal ; Elektrokimyasal sensörler = Electrochemical sensors ; Grafen = Graphene ; Membranlar =   ; Voltametri = Voltammetry

Özet:
Amaç: Tez çalışması kapsamında, EDTA ve çinko oksit nanopartikülleri (ZnO-NPs) ihtiva eden, esnek yapıda müstakil indirgenmiş grafen oksit (rGO) esaslı kâğıt materyallerin ekonomik yöntemlerle hazırlanması ve bu materyallerin, ağır metal iyonlarından Pb+2, Cd+2, Cu+2 ve Hg+2'nın giderilmesinde membran materyali olarak ve devamında membranda tutunan ağır metallerin voltametrik belirlenmesi için elektrot materyali olarak kullanılması amaçlanmıştır.
Yöntem: Öncelikle Hummers yöntemi ile sentezlenen grafen oksit (GO) ve hidrotermal yöntem ile sentezlenen ZnO-NPs ve EDTA karışımı hazırlanarak membran/elektrotun hazırlanması için optimum şartlar belirlendi. Optimum şartlarda hazırlanan rGO/ZnO-NPs-EDTA membran/elektrotu, membran filtrasyon düzeneğinde membran materyali olarak kullanılarak Pb+2, Cd+2, Cu+2 ve Hg+2 ağır metal iyonlarını içeren çözelti bu membran üzerinden süzülerek giderimi gerçekleştirildi. Kare dalga voltametri (SWV) tekniği ile membranda tutunan ağır metal iyonlarının voltametrik olarak tayininin gerçekleştirilmesi amacıyla membran, elektrot materyali olarak kullanıldı. Hazırlanan materyallerin karakterizasyon çalışmaları taramalı elektron mikroskopu, X-ışını fotoelektron spektroskopisi, geçirimli elektron mikroskopu, X-ışını kırınımı ve Raman spektroskopisi gibi teknikleri kullanılarak yapıldı. Ayrıca elde edilen kâğıt elektrotların elektrokimyasal aktivitelerini karşılaştırılması, dönüşümlü voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemleri ile gerçekleştirildi. 
Bulgular: Bu çalışmada, Pb+2, Cd+2, Cu+2 ve Hg+2 ağır metal iyonlarının membran filtrasyonu ve ardından eş zamanlı voltametrik analiz ile uzaklaştırılması için rGO/ZnO-NPs-EDTA membran/elektrot, basit ve ekonomik bir prosedürle üretilmiştir. Hazırlanan rGO/ZnO-NPs-EDTA membran/elektrot, iyi mekanik, fiziksel, kimyasal ve elektrokimyasal özellikler sergilemiştir. Membran/elektrot, membran materyali olarak kullanıldığında ZnO-NPs'nin varlığından dolayı iyi su geçirgenliği özelliği ve EDTA varlığına bağlı olarak yüksek derecede ağır metal iyonu adsorpsiyonu özellikleri göstermiştir. rGO/ZnO-NPs-EDTA kağıt, Pb+2, Cd+2, Cu+2 ve Hg+2 ağır metal iyonlarının SWV tekniği ile eş zamanlı voltametrik analizinde elektrot olarak kullanılmış ve tüm bu ağır metal iyonları için geniş doğrusal çalışma aralığı göstermiştir. rGO/ZnO-NPs-EDTA membran/elektrotunun maksimum adsorpsiyon performansı Cd+2, Pb+2, Cu+2 ve Hg+2 ağır metal iyonları için sırasıyla 2963, 8056, 600 ve 1753 mg/g olarak belirlenmiştir. Ayrıca elektrokimyasal eş zamanlı voltametrik analizlerde Cd+2, Pb+2, Cu+2 ve Hg+2'nin doğrusal çalışma aralığı sırasıyla 18,5-500, 22,4-700, 8,3-200, 3,3-300 μM ve tayin limiti değerleri sırasıyla 5,6; 6,8; 2,5 ve 1,0 μM olarak tespit edilmiştir.
Sonuç: Esnekliği ve stabilitesi ile rGO/ZnO-NPs-EDTA kağıt, yeşil kimya uygulamaları için hem membran hem de elektrot olarak iki amaca yönelik kullanım potansiyeli olan bir malzemedir.

Anahtar Kelimeler: Grafen kâğıt, esnek membran, elektrokimyasal metal sensörü, ağır metal giderimi

Abstract:
Purpose: Within the scope of the thesis, it was aimed to prepare flexible, free-standing reduced graphene oxide (rGO)-based paper materials containing EDTA and zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) by economical methods. It was intended to use these materials as membrane material to remove heavy metal ions of Pb+2, Cd+2, Cu+2, and Hg+2, and then as electrode material for voltammetric determination of heavy metals adsorbed to the membrane.
Method: First, optimum conditions were determined for the preparation of membrane/electrode by preparing a mixture of graphene oxide (GO) synthesized by the Hummers method, ZnO-NPs synthesized by hydrothermal method, and EDTA. The rGO/ZnO-NPs-EDTA membrane/electrode prepared under optimum conditions was used as the membrane material in the membrane filtration system, and the solution containing Pb+2, Cd+2, Cu+2, and Hg+2 heavy metal ions was filtered through this membrane. The membrane was used as the electrode material in order to perform voltammetric determination of heavy metal ions adsorbed to the membrane using square wave voltammetry (SWV) technique. The characterization studies of the prepared materials were performed using various techniques such as scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy. In addition, the comparison of the electrochemical activities of the obtained paper electrodes was carried out by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy methods.
Results: In this study, rGO/ZnO-NPs-EDTA membrane/electrode was produced with a simple and economical procedure for the removal of Cd+2, Pb+2, Cu+2, and Hg+2 heavy metal ions by membrane filtration followed by simultaneous voltammetric analysis. The prepared rGO/ZnO-NPs-EDTA membrane/electrode exhibited good mechanical, physical, chemical, and electrochemical properties. When the membrane/electrode was used as the membrane material, it showed good water permeability due to the presence of ZnO-NPs and high adsorption for the heavy metal ions due to the presence of EDTA. rGO/ZnO NPs-EDTA paper was used as an electrode for the simultaneous voltammetric analysis of heavy metal ions through the SWV technique revealing wide linear range values for all these heavy metal ions.
Conclusion: With its flexibility and stability, rGO/ZnO-NPs-EDTA paper demonstrate, is dual-functional usage as both membrane and electrode for green chemistry applications.

Keywords: Graphene paper, flexible membrane, electrochemical metal sensor, heavy metal removal