Nano/mikro boyutta metal organik kafes yapıların sentezi, karakterizasyonu ve ilaç gideriminde kullanılması
Synthesis and characterization of nano/microscale metal organic frameworks and using for drug removal
Yazar: UTKU BULUT ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. MERAL TURABİK
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda giderek artan ilaç kullanımları ile birlikte bu ilaçlara ait etken maddelerin alıcı sulara karışması insan ve diğer canlıların yaşamını tehdit etmektedir. Önemli ilaç gruplarından biri olan antibiyotikler insan ve hayvanların mikroorganizmalara karşı direncini artırmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Metronidazol (MNZ) antibiyotik etken maddesi enfeksiyonlara karşı etkili olan önemli bir antibiyotik grubudur. MNZ' ün uzun süre alıcı sularda bulunması hem ortamı kirletmekte hem de hedef mikroorganizmaların MNZ' e karşı direnç kazanmasını sağlamaktadır. Bu yüzden MNZ' ün alıcı sulardan uygun yöntemler kullanılarak giderilmesi gerekmektedir. En ekonomik ve yaygın uygulanan yöntemlerden biri adsorpsiyondur. Adsorpsiyon işleminde ekonomik ve yüksek adsorplama kapasitesine sahip bir adsorbent bulmak adsorpsiyon verimi için oldukça önemlidir. Bu nedenle Metal organik kafes yapılar (Metal Organic Frameworks, MOFs), yüksek yüzey alanları, geniş gözenek hacimleri, yapısal çeşitlilikleri, yüksek termal kararlılıkları ve çeşitli gruplar ile fonksiyonelleştirilebilmesi ve tekrar kullanılabilme gibi olağanüstü özelliklerinden dolayı ekonomik ve yüksek adsorplama kapasitesine sahip bir adsorbenttir. Bu tez çalışmasında geleneksel solvotermal yöntem kullanılarak MIL-101(Fe) nano/mikro boyutta ve amin fonksiyonlanmış olarak sentezlenerek 4 farklı MOF yapı mMIL-101(Fe), nMIL-101(Fe), mNH2-MIL-101(Fe) ve nNH2-MIL-101(Fe) elde edilmiştir. Sentezlenen MOF yapıların karakterizasyonu SEM-EDX, XRD, yüzey alanı ve gözeneklilik, TGA, FT-IR ve partikül boyut dağılımı (DLS) ve izoelektrik nokta (IEP) analizleri ile sağlanmıştır. MOF yapıların SEM analizlerinde en yüksek boyut çapı 2345 nm ile oktahedral morfolojideki mMIL-101(Fe), en düşük boyut çapı 39,7 nm ile 1D nanotüp morfolojiye sahip nNH2-MIL-101(Fe)' de elde edilmiştir. mMIL-101(Fe), nMIL-101(Fe), mNH2-MIL-101(Fe) ve nNH2-MIL-101(Fe) MOF yapıların yüzey alanı ve gözeneklilik analizlerinde BET yüzey alanları sırasıyla 4102; 2411; 1959 ve 1322 m2/g olarak hesaplanmıştır. TGA analizlerinde en yüksek termal kararlılık 550 ℃' ye kadar termal kararlılığını koruyan mNH2-MIL-101(Fe) MOF yapısına aittir. Metronidazolün nano/mikro boyutlu MOF yapılara adsorpsiyonunun optimizasyonu Cevap Yüzey Yöntemi (RSM) kullanılarak araştırılmıştır. Optimum koşullar göz önünde bulundurularak Metronidazolün MOF yapılara adsorpsiyonundan elde edilen veriler Langmuir ve Freundlich izoterm modellerine uygulanmış ve adsorpsiyonun Langmuir izoterm modeline daha uygun olduğu belirlenmiştir. Langmuir izoterm modeline göre mMIL-101(Fe), nMIL-101(Fe), mNH2-MIL-101(Fe) ve nNH2-MIL-101(Fe) MOF yapıların maksimum adsorplama kapasiteleri sırasıyla 333,33; 555,55; 833,33; ve 1000 mg/g olarak belirlenmiştir. Adsorbentlerin tekrarlanabilirlik çalışmaları 5 tekrarlı olarak gerçekleştirilmiş ve 5 tekrar sonunda tüm MOF yapıların adsorplama kapasitelerinde % 6- %15 aralığında azalmalar saptanmıştır.

Abstract:
With the increasing use of drugs in recent years, the entrance of the active ingredients of these drugs into the receiving waters threatens the life of humans and other living things. Antibiotics, one of the important drug groups, are frequently used to increase the resistance of humans and animals against microorganisms. Metronidazole (MNZ) antibiotic active ingredient is an important antibiotic group that is effective against infections. Presence of MNZ in receiving waters for a long time both pollutes the environment and enables target microorganisms to gain resistance against MNZ. Therefore, MNZ must be removed from the receiving waters using appropriate methods. One of the most economical and widely applied methods is adsorption. In the adsorption process, it is very important to find an adsorbent with an economical and high adsorption capacity for adsorption efficiency. Therefore, metal-organic frameworks (Metal Organic Frameworks, MOFs) are an adsorbent with an economic and high adsorbing capacity due to its extraordinary properties such as high surface areas, large pore volumes, structural diversity, high thermal stability, functionalization and recyclability. In this thesis study, MIL-101(Fe) was synthesized in nano/micro size and amine functionalized using traditional solvothermal method, and 4 different MOF structures mMIL-101(Fe), nMIL-101(Fe), mNH2-MIL-101(Fe) and nNH2 -MIL-101(Fe) were obtained. The characterization of the synthesized MOF structures were provided by SEM-EDX, XRD, surface area and porosity, TGA, FT-IR and particle size distribution (DLS) and isoelectric point (IEP) analyses. In the SEM analysis, the highest dimension diameter was obtained in the mMIL-101(Fe) sample as 2345 nm, the lowest dimension diameter was obtained from the nNH2-MIL-101(Fe) sample as 39,7 nm. The BET surface areas of mMIL-101(Fe), nMIL-101(Fe), mNH2-MIL-101(Fe) and nNH2-MIL-101(Fe) materials were calculated as 4102 m2/g, 2411 m2/g, 1959 m2/g and 1322 m2/g respectively. The highest thermal stability in TGA analysis belongs to the mNH2-MIL-101(Fe) MOF structure, which maintains its thermal stability up to 550 °C. Optimization of the adsorption of metronidazole on to micro and nanoscale MOF structures was investigated using the Response Surface Methodology (RSM). Considering the optimum conditions, the data obtained from the adsorption of MNZ on to the MOF structures were applied to the Langmuir and Freundlich isotherm models and it was determined that the adsorption was more suitable for the Langmuir isotherm model. According to the Langmuir isotherm model, the maximum adsorption capacities of mMIL-101(Fe), nMIL-101(Fe), mNH2-MIL-101(Fe) and nNH2-MIL-101(Fe) MOF materials were determined as 333,33; 555,55; 833,33; and 1000 mg/g, respectively. The reusability experiments of the adsorbents were carried out in 5 cycle and at the end of the 5 cycle studies, reductions of between the 6-15 % were determined in the adsorbing capacities of all MOF structures.