Stiren-vinilimidazol kopolimer nanoliflerinin hazırlanması ve metal iyonlarının adsorpsiyonunda kullanımı
Preparation of styrene-vinylimidazole copolymeric nanofibers and its use in adsorption of metal ions
Yazar: DAMLA ŞAHİN ERMİŞ
Danışman: PROF. DR. PINAR AKKAŞ KAVAKLI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Günümüzde dünya üzerinde temiz su kaynaklarına ulaşmak, küresel ısınma ve artan nüfusla birlikte zorlaşmış durumdadır. Bu nedenle atık suyu arıtarak temiz su elde etmek amacıyla birçok teknik kullanılmakta ve geliştirilmektedir.  Bu tez çalışmasında atık sulardan ağır metal iyonları temizlemek için kullanılmak üzere Poli-Stiren-Vinilimidazol (PS-VIM) kopolimeri sentezlenmiştir, bu polimer elektroeğirme yöntemi kullanılarak filtre uygulamasında geliştirilmek üzere nanolif formuna getirilmiştir. PS-VIM kopolimeri sentezi esnasında iki farklı başlatıcı ve çözücü oranı kullanılmıştır. 8 g monomer (Stiren:Vininimidazol,4:2), 0,1 w/w oranında başlatıcı, 5 mL toluen çözücü kullanılarak elde edilen polimer PS-VIM-P1 olarak adlandırılmıştır. Monomer ve başlatıcı oranı 16 g monomer (Stiren:Vininimidazol,12:4) 0.05 w/w başlatıcı ve 5 mL toluen çözücüsü kullanılarak elde edilen polimer ise PS-VIM-P2 olarak adlandırılmıştır. PS-VIM-P1 kopolimerinin sentez verimi %38 iken PS-VIM-P2 kopolimerinin sentez verimi %44 olarak sonuçlanmıştır. Nanolif eldesi sırasında PS-VIM-P1 ve PS-VIM-P2 polimerlerinin DMF/THF 4:1 çözücü içerisinde %25 wt/v derişimleri kullanılmıştır. PS-VIM-P1 polimerinin nanolif eldesi sırasında uygulanan voltaj değeri 25 kV olarak belirlenirken, akış hızı değerleri 0,8 mL/s ve plakalar arası uzaklık 16 cm olarak belirlenmiştir. PS-VIM-P2 polimerinin nanolif eldesi sırasında ise uygulanan voltaj değerleri 26 kV ve 28 kV olarak uygulanmıştır. Akış hızı değerleri 1 mL/s, 1,2 mL/s ve 1,4 mL/s olarak belirlenirken plakalar arası uzaklık 15, 16 ve 18 cm olarak belirlenmiştir. PS-VIM-P2 polimerinin 1mL/s, 28kV ve 16cm plakalar arası mesafe olarak elde edilen nanolifin ideal çap uzunluğu 2,44 µm olarak belirlenmiştir. Cu(II) ve As(V) adsorpsiyonunda kullanılmak üzere ideal çap boyutuna ait nanolif olarak belirlenmiştir. Elde edilen SEM görüntülerine göre PS-VIM-P1 polimerinin düşük moleküler ağrılığına sahip olması nanolif yapısında damlacıklı yapıların oluşmasına neden olmuştur. PS-VIM-P2 kopolimerinin Cu(II) iyonu adsorpsiyonu için ideal ortam pH değerini belirlemek üzere pH değeri 3,00, 4,00,5,00 ve 6,00 HCl ve NaOH kullanılarak ayarlanmıştır. En yüksek adsorpsiyon değeri pH  5,00 olarak belirlenmiştir ve bu değerde PS-VIM-P2 kopolimer nanolifi 10 ppm Cu(II) çözeltisinde 3,78 mg Cu(II)/g polimer kapasitesine ulaşmıştır. Başlangıç derişiminin Cu(II) adsorpsiyonuna etkisi 1, 10, 50 ve 100 ppm derişimlerinde incelenmiştir. 100 ppm Cu(II) derişiminde PS-VIM-P2 kopolimer nanolifinin kapasitesi 26,18 mg Cu(II)/g polimer olarak hesaplanmıştır. PS-VIM-P2 kopolimerinin As(V) iyonu adsorpsiyonu için ideal pH değerini belirlemek üzere pH değeri 2,00 3,00, 4,00, 5,00 ve 6,00 olacak şekilde HCl ve NaOH kullanılarak ayarlanmıştır. En yüksek adsorpsiyon değeri pH  3,00 olarak belirlenmiştir ve bu değerde PS-VIM-P2 kopolimer nanolifi 10 ppm As(V) çözeltisinde 1,18 mg As(V)/g polimer kapasitesine ulaşmıştır. Başlangıç derişiminin As(V) adsorpsiyonuna etkisi 1, 10, 50 ve 100 ppm derişimlerinde incelenmiştir. 100 ppm As(V) derişiminde PS-VIM-P2 kopolimer nanolifinin kapasitesi 88,95 mg As(V)/g polimer olarak hesaplanmıştır. PS-VIM-P1 ve PS-VIM-P2 polimerlerinin elde edilen MALDI-MS sonuçlarına göre her iki polimerde de rastgele stiren ve vinilimidazol dizilimi gözlemlenmiştir. MALDI-MS değerleri kullanılarak Polymerix Programında yapılan hesaplamaya göre PS-VIM-P1 polimerine ait ağırlıkça molekül ağırlığı; Mw=2830 g/mol belirlenirken sayıca molekül ağırlığı Mn=1650 g/mol olarak belirlenmiştir. PS-VIM-P2 polimerinin ağırlıkça molekül ağırlığı ise; Mw=2990 g/mol belirlenirken sayıca molekül ağırlığı Mn=1960 g/mol olarak belirlenmiştir. FTIR taraması ile yapısal karakterizasyonu gerçekleştirilmiş ve elde edilen bilgiye göre PS-VIM-P2 polimer nanolifinin Cu(II) ve As(II) iyonlarının adsorpsiyonu esnasında imidazol halkası tarafından gerçekleştiği 665 cm-1 dalga sayısındaki karakteristik imidazol uç noktasındaki azalmadan kaynaklandığı belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays , access to clean water resources in the world has become more difficult with global warming and increasing population. For this reason, wastewater treatment techniques are being developed and used. In this thesis, Poly-Styrene-Vinylimidazole (PS-VIM) copolymer was synthesized to be used to clean heavy metal ions from wastewater and turned into nanofibers to be developed in filter use by using electrospinning method. During the synthesis of PS-VIM copolymer, two different initiator and solution concentrations were used. The polymer obtained by using 8 g of monomer (Styrene:Vinylimidazole, 6:2), initiator at a ratio of 0.1 w/w, and 5 mL of toluene solvent was named PS-VIM-P1. Monomer and initiator ratio 16 g monomer (Styrene: Vinylimidazole, 12:4) 0.05 w/w initiator and 5 mL toluene solvent obtained by using the polymer was named PS-VIM-P2. While the synthesis efficiency of PS-VIM-P1 copolymer was 38%, the synthesis efficiency of PS-VIM-P2 copolymer was 44%. During the production of nanofibers, 25% wt/v concentrations of PS-VIM-P1 and PS-VIM-P2 polymers in DMF/THF 4:1 solvent were used. The voltage values applied during the nanofiber production of PS-VIM-P1 polymer were determined as 25 kV. Flow rate values were determined as 0.8 mL/h and the distance between the plates was 16 cm. The voltage values applied during the nanofiber production of PS-VIM-P2 polymer were determined as 26 kV and 28 kV. Flow rate values were determined as 1 mL/h, 1.2 mL/h and 1,4 mL/h the distance between the plates was determined as 15, 16 and 18 cm. The diameter length of the nanofiber obtained as 1mL/h, 28kV and 16cm distance between the plates of PS-VIM-P2 polymer was determined as 2.44 µm ideally. According to the obtained SEM images, the low molecular weight of PS-VIM-P1 polymer caused the formation of droplet structures in the nanofiber structure. It has been determined as ideal for use in Cu(II) and As(V) adsorption. To determine the ideal medium pH value for Cu(II) ion adsorption of PS-VIM-P2 copolymer, the pH value were 3,00, 4,00, 5,00 and 6,00 by using HCl and NaOH. The highest adsorption value was determined as pH 5,00 and PS-VIM-P2 copolymer nanofiber reached 3,78 mg Cu(II)/g polymer capacity in 10 ppm Cu(II) solution at this value. The effect of initial concentration on Cu(II) adsorption was investigated at 1, 10, 50 and 100 ppm concentrations. The capacity of PS-VIM-P2 copolymer nanofiber at 100 ppm As(V) concentration was calculated as 26,18 mg Cu(II)/g polymer. To determine the ideal medium pH value for As(V) ion adsorption of PS-VIM-P2 copolymer, the pH valuee were 2,00, 3,00, 4,00, 5,00 and 6,00 by using HCl and NaOH. The highest adsorption value was determined as pH 3,00 and PS-VIM-P2 copolymer nanofiber reached 1,18 mg As(V)/g nanofiber capacity in 10 ppm As(V) solution at this value. The effect of initial concentration on As(V) adsorption was investigated at 1, 10, 50 and 100 ppm concentrations. The capacity of PS-VIM-P2 copolymer nanofiber at 100 ppm As(V) concentration was calculated as 88,95 mg As(V)/g polymer. According to the MALDI-MS results of PS-VIM-P1 and PS-VIM-P2 polymers, random styrene and vinylimidazole sequences were observed in both polymers. According to the calculation made in the Polymerix Program by using MALDI-MS values, the molecular weight of PS-VIM-P1 polymer by weight; While Mw=2830 g/mol was determined, the number of molecular weight was determined as Mn=1650 g/mol. The of molecular weight of PS-VIM-P2 polymer was determined as  Mw=2990 g/mol, the number of molecular weight was determined as Mn=1960 g/mol. Structural characterization was performed by FTIR scanning and according to the information obtained, it was determined that PS-VIM-P2 polymer nanofiber was caused by the decrease in the characteristic imidazole endpoint at 665 cm-1 wave number, which was realized by the imidazole ring during the adsorption of Cu(II) and As(II) ions.