Sıvı membran tekniği ile uranyum iyonlarının farklı taşıyıcı ligandlarla seçimli ekstraksiyonunun incelenmesi
Investigation of selective extraction of uranium ions with different carrier ligands by liquid membrane technique
Yazar: KADRİYE ESEN ERDEN
Danışman: PROF. DR. ŞULE AYTAŞ ; YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN DONAT
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında sıvı membran tekniği ile sulu çözeltilerden uranyum iyonlarının farklı taşıyıcı ligandlarla seçimli ekstraksiyonunun incelenmesi ve geri kazanılması amaçlanmıştır. Bu amaçla imalatı yaptırılan sistem kesikli ve sürekli süreçte çalıştırılarak TOPO, TBP ve D2EHPA ligandları ile uranyum ekstraksiyonu ve sıcaklık, pH, konsantrasyon gibi prosesi etkileyen parametreler incelenmiştir. Uranyum iyonlarının seçimli ekstraksiyonu ortamda çeşitli metal iyonları varlığında incelenmiştir.  Fazlardaki uranyum iyonlarının zamanla değişim grafikleri, ekstraksiyon kinetiği grafikleri oluşturulmuş, ard arda gerçekleşen reaksiyonlar için ekstraksiyon kinetiği hesaplamaları yapılmıştır. 
Çeşitli parametrelerin etkisini incelemek için gerçekleştirilen denemelerde, en uygun sonuçları veren deneylerdeki veriler esas alındığında TOPO, TBP ve D2EHPA ligandları ile uranyum(VI) iyonlarının ekstraksiyon verimleri sırasıyla %99.6, %59.2 ve % 98.9 olarak bulunmuştur. Sözü edilen ligandlar için optimum sıcaklıklar sırasıyla 298.15K, 283.15K ve 293.15K olarak belirlenmiştir. Sürekli sistemde TOPO ve TBP ligandları ile çalışıldığında akseptör faz olarak sırasıyla 1.5M ve 3M?lık H3PO4, D2EHPA ile çalışıldığında 1M?lık NH4HCO3 kullanılmıştır. Donör faz pH?ları ise 1 ve 1?in altında olmalıdır. Optimum organik faz konsantrasyonları TOPO, TBP ve D2EHPA için sırasıyla 6.8×10-3M, 0.177M ve 1.5×10-3M olarak, organik fazın sulu fazlar arasından aktarım hızı her üç ligand için de 100mL/dk. olarak belirlenmiştir. Donör fazda uranyum (VI) yanında Cu2+, Pb2+ ve Cd2+ iyonlarının da bulunduğu deneylerden elde edilen sonuçlara göre akseptör faza Cu2+ ve Pb2+ iyonlarının geçemediği; Cd2+ iyonlarının ise akseptör faza en fazla %0.5 geçiş yaptığı saptanmıştır. Donör fazda alkali ve toprak alkali metali iyonlarının varlığında uranyum(VI) iyonlarının ekstraksiyonunun incelendiği deneylerde ise, Na+, K+ ve Li+ iyonlarının organik ve akseptör fazlara geçişinin olmadığı ve dolayısıyla uranyum ekstraksiyonuna bir etkileri olmadığı belirlenmiştir. Ca2+ ve Ba2+?un ise sırasıyla %21 ve %15 oranında akseptöre geçerek uranyum iyonlarının geçişini yavaşlattığı sonucuna varılmıştır.  Elde edilen tüm sonuçlara göre, Cu2+, Pb2+,Cd2+ ve ayrıca alkali ve toprak alkali metalleri tuzlarının varlığında, sulu çözeltilerden uranyum(VI) iyonlarının seçimli olarak TOPO ekstraktantı ile ekstraksiyonunun yüksek verimle gerçekleştiği gözlenmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre, ayırma ve saflaştırma tekniklerinden biri olan sıvı memban tekniği ile sulu çözeltilerden uranyum iyonlarının geri kazanılması, hızlı ve basit proses, ekonomik avantaj, çeşitli kimyasallardan çevrenin korunması vb. özellikler yönünden diğer konvansiyonel ekstraksiyon proseslerine göre iyi bir seçenek oluşturabilecektir. Uranyum madenciliğinden kaynaklanan radyoaktif ve ağır metalleri içeren atıkların çevremize olan olumsuz etkileri göz önüne alındığında;  gerçekleştirilen doktora tez çalışması sıvı memban tekniği ile sulu çözeltilerden uranyum iyonlarının ayrılmasına ve geri kazanılmasına yönelik hızlı ve yüksek verimli bir çalışma olması açısından önem taşımaktadır.

Abstract:
The aim of this PhD thesis is investigation of selective extraction and recovery of uranium ions from aqueous solutions with different carrier ligands by liquid membrane technique. For this purpose, uranium extraction in batch and continuous process were investigated by using TOPO, TBP and D2EHPA ligands as a function of temperature, pH and concentration in the manufactured system. Selective extraction of uranium ions were examined in the presence of various metal ions. The graphs of uranium ions in phases by the time and extraction kinetics graphics were created and then calculations of the extraction kinetics were realized.
To investigate the effect of the parameters in the extraction procedure, the extraction efficiencies of the ligands as TOPO, TBP and D2EHPA for uranium (VI) ions from aqueous solution were determined as 99.6%, 59.2% and 98.9%, respectively at optimum conditions. The optimum temperatures were determined as 298.15K, 283.15K and 293.15K for TOPO, TBP and D2EHPA. The concentrations of the acceptor phases in continuous system for TOPO, TBP and D2EHPA ligands were used as 1.5M H3PO4, 3M H3PO4 and 1M NH4HCO3, respectively. The pH of the donor phase should be less than 1 or equal to 1. The optimum concentrations of the organic phases were determined as 6.8×10-3M, 0.177M and 1.5×10-3M, respectively and, the organic phase transfer rate from the aqueous phases was determined as 100mL/min for each of the ligands. According to the results obtained from the experiments where Cu2+, Pb2+ and Cd2+ ions were existed as well as uranium (VI) ions at the donor phase, it is determined that Cu2+ and Pb2+ ions did not moved to acceptor phase even then 0.5% of Cd2+ ions moved to the acceptor phase. The presence of alkali and alkaline earth metal ions as well as uranium (VI) ions in donor phase in the extraction experiments, it was determined that the extraction and stripping of Na+, K+ and Li+ ions were not realized and therefore it was determined that they don?t   significantly affect the extraction of uranium. It was concluded that Ba2+ and Ca2+ were retarded the migration of the uranium ions by moving to acceptor phase with percentage of 21 and 15, respectively. It is observed from the results, selective extraction of uranium (VI) ions from aqueous solution with TOPO extractant was realized with high efficiency in the presence of Cu2+, Pb2+, Cd2+ and also salts of alkali and alkaline earth metals. 
It can be concluded that liquid membran technique which is one of the separation and purification technique has some advantages as quick and simple process with the economic advantages, environmental protection from various chemicals and therefore it can be an alternative technique against to the conventional extraction process for recovery of uranium ions from aqueous solutions. If it is considered the adverse effects of waste containing radioactive and heavy metals sourced from uranium mining to the environment, the carried out PhD thesis is important because of being a fast and highly efficient work for recovery of uranium ions from aqueous solutions with liquid membrane technology.