İyonomerlerin elektron spin rezonans yöntemi ile incelenmesi
Investigation of ionomers by electron spin resonance
Yazar: NEVİN SÜLEYMANOĞLU
Danışman: PROF.DR. TURAN ÖZBEY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1999
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Elektron spin rezonans = Electron spin resonance ; İyonomerler = Ionomers

Özet:
Bu çalışmada; sulardaki bazı çevresel ajanların ortamdan uzaklaştırılması amacıyla hazırlanan Poli (N-vinü-2-pirrolidon / İtakonik asit ) P(VP/IA) hidrojellerinin Cu** ve Mn** iyonlarını adsorplama özellikleri incelenmiş ve hidrojellerin metal iyonlarım adsorplaması sonucu oluşan yapının iyonomer adı verilen yapılarla olan benzerliği araştırılmıştır. Bu amaçla; 2mL vinil pirrolidon (VP) ile sırasıyla 0.06, 0.09, 0.12, 0.18, 0.24 g itakonik asitte 1 mL saf suda çözünmesiyle elde edilen sulu çözeltilerin 60Co y kaynağında 25 kGy'lik dozda ışınlanması sonucu oluşan hidrojeller kullanılmıştır. Daha sonra bu hidrojellere Ol4* ve Mh4* iyonlarının adsorpsiyonunu sağlamak amacıyla CuCl2. 2H20 ve MhCl2. 4HzO tuzları ile lxlO"4 - 5xl0_1 M aralığında çözeltiler hazırlanmış ve hidrojeller çözeltiler içerisinde 4 gün süre ile bekletilmiştir. Adsorpsiyon çözelti pH'ında gerçekleştirilmiştir. 4 gün sonunda çözeltilerden çıkarılan örnekler asetatlar üzerinde 2 hafta boyunca kurutulmuştur. Kuruyan örneklerin ESR spektrumları alınmış ve bu spektrumlar ile standart spektrumlarına ait veriler bilgisayarlı veri toplama sistemi yardımıyla kaydedilmiştir, örnek içerisindeki manyetik birim sayısı ESR spektrumlarında eğri akında kalan alan ile orantılı olduğundan bütün spektrumlar için bağıl ESR sinyal şiddeti değerleri (Ao/A, oranları) hesaplanmıştır. Bu değerlerin hidrojellerin bekletildiği çözeltilerin derişimine bağlı değişimleri çizilmiş ve çözelti derişimi arttıkça adsorplanan iyon miktarının arttığı gözlenmiştir. Hidrojellerde adsorplanan Cu** iyonlarının miktarı UV-Görünür bölge soğurma yöntemi ile belirlenmiş ve hidrojellerin adsorpsiyon izotermleri oluşturulmuştur. Eğrilerin şekli hidrojellerin metal iyonlarım adsorpsiyonunun çok tabakalı fiziksel adsorpsiyon izotermlerine uyduğunu ortaya koymuştur. Aynı izotermler ESR spektrumlarının bağıl ESR sinyal şiddeti değerleri ile de elde edilmiştir. 5x1 0"2 M Cu* çözeltisinde bekletilen P(VP/IA)-4 hidrojeli için DSC çalışması yapılmış; birinci ısıtma ve ikinci ısıtmada elde edilen DSC termogramlarında ısıtma aralığında yapı içerisinde iyonik birliklerin oluşumuna ilişkin pikler elde edilememiştir. P(VP/IA)-3 hidrojenlerinin sırasıyla lxlO"4, 3xl0'2, 5X10"1 M CıT ve NftT çözeltilerinde bekletilmesi ile elde edilen örnekler seçilerek Fourier Transform Infrared (FTIR) şpektrumları alınmış ve Cu44 iyonları ile Mn44 iyonlarının ligand oluşumuna ait bilgi edinilmeye çalışılmıştır. P(VP/IA)-1 hidrojellerinin 1x1 0"4 - 5x1ü"1 M aralığındaki Cu44 ve Mn44 çözeltilerinde bekletilmesiyle hazırlanan örneklerin verdiği ESR spektrumlarının benzetişimi yapılmış ve benzetişim parametreleri belirlenmiştir. Parametreler, düşük derişimden yüksek derişimlere gidildiğinde çizgi genişliğinin arttığım ortaya koymuştur. Çizgi genişliğindeki artışlar kullanılarak, değişik çözelti derişimlerinde paramanyetik iyonlar arasındaki uzaklıklar belirlenmiştir. Bu uzaklıklar düşük derişimlerde Cu44 iyonlarının yalıtılmış iyonlar olarak dağıldığım, yüksek derişimlere gidildiğinde iyonik birliklerin oluştuğunu göstermektedir. Mn44 çözeltilerinde bekletilen P(VP/IA)-1 hidrojellerinin ESR spektrumlarının benzetişimi yapılmış fakat teorik ve deneysel spektrumların uyuşumu sağlanamamıştır. Bu nedenle Mn44 iyonları için spin Hamiltoniyen parametreleri ESR spektrumlarından yaklaşık olarak bulunmuştur. Cu44 iyonları için yapılan işlemler tekrarlanarak değişik çözelti derişimlerinde Mn44 iyonları arasındaki uzaklıklar hesaplanmıştır. Elde edilen değerler, Mn44 iyonlarının Cu44 iyonlarına benzer şekilde düşük derişimlerde yalıtılmış, yüksek derişimlerde ise iyonik birlikler olarak dağıldığım ortaya koymaktadır. Sonuç olarak P(VP/IA) hidrojellerine Cu44 ve Mn44 iyonlarının adsorpsiyonu sonucu oluşan yapıların iyonomer olduğu ve bu yapılarda iyonların düşük derişimlerde yalıtılmış, yüksek derişimlerde ise iyonik birlikler olarak dağıldığı görüşüne varılmıştır. Sonuçlar, hidrojellerde metal iyonlarının tutunmasının doğrudan difüzyon yoluyla ve ligant oluşturma şeklinde olduğunu ortaya koymaktadır.ANAHTAR KELİMELER: ESR \ İYONOMER \ HİDROJEL \ ADSORPSÎYONA

Abstract:
Cu** and Mo4-1" ion adsorption properties of Poly (N-vinyl-2 pyrrolidone/Itaconic acid) P(VP/IA) hydrogels that were prepared to be used to remove some environmental agents from water were investigated and the similarity of the structure which was formed by the adsorption of metal ions by hydrogels with so called ionomers was examined. For this purpose, the hydrogels that were formed with 2ml vinyl pyrrolidone (VP) aqueous solutions of 0.06, 0.09, 0.12, 0.18, 0.24g itaconic acid with 1ml of distilled water and exposed to 60Co gamma source were used. Later on, achieved the adsorption of Cu** and Mn** ions to these hydrogels, CuCİ2.2H20 and MnCl2.4H20 salts were prepared in the range of lxlO^-SxlO'1 M and hydrogel solutions were waited 4 days. Adsorption was achieved with the pH solution. After 4 days the samples were taken from the solutions and dried on the asetates for 2 weeks. ESR spectra of dried samples were taken and data of these spectra were recorded by a data logging system with the data of standard spectrum. As the number of magnetic units present in the sample is proportional to the area under the ESR spectra, the relative ESR signal intensity values (Ao/As) vere calculated for all spectra. Variation of these values with the concentration of the solutions that the samples were waited were plotted and it was observed that the adsorbed ion quantity was increased with solution concentration. The adsorbed quantity of Cu++ ions in hydrogels was determined with UV-Visible absorption spectroscopy and adsorption isotherms of hydrogels were formed. The shapes of the lines showed that the adsorption of metal ions by hydrogels was in accordance with the multilayer physical adsorption isoterms. Same isotherms were also obtained by the relative intensity values of ESR spectra. DSC study was carried out to the P(VP/LA)-4 hydrogel which was waited in 5x1 0'2 M Cu" solution; no peaks were obtained on the DSC thermograms that related to the formation of ionic units in the structure within the range of first and second heating process.DSC study was carried out to the P(VP/IA)-4 hydrogel which was waited in 5x1 0"2 M Cü" solution; no peaks were obtained on the DSC thermograms that related to the formation of ionic units in the structure within the range of first and second heating process. The samples of P(VP/IA)-3 hydrogel mat were waited in the solutions of lxl 0"4, 3xl0"2, 5x1ü'1 M Cu** and Mn*4 respectively were choosen and their Fourier Transformed Infrared (FTIR) spectra were taken and in order to be informed if the Mn** or Cu*"1" ions for ligands. The simulation of the spectra of the samples mat were prepared as P(VP/IA)-1 hydrogels waited in the lxl 0"4 -5x1 0"1 M range Cu1"1" and Mn++ solutions was made simulation parameters were identified. The parameters showed that line width is increasing with increasing concentration. By using the increase in the line width the distance between the paramagnetic ions the different solution concentration were determined. These distance showed that at lower concentrations Cu++ ions were spread out as isolated ions, and higher concentration they forms ionic aggregation. The simulation of the ESR spectra of P(VP/IA)-1 hydrogels that were waited in Mn++ solution were carried out but no accordance was achieved between theoretical and experimental specta. For these reason, spin Hamiltonian parameters for Mn++ ions were different solutions concentration were calculated as it was done in the Cu" ion processes. Obtained values showed that like Cu4"1" ions, Mn4"1" ions were also spread out as isolated at low concentrations and make units at higher concentrations. In conclusion, the structures of Cu++ and Mn++ ions adsoptions P(VP/IA) hydrogels were ionomers and in the structures the ions were isolated at low concentration and make clusters at high concentration. Results showed that adsorption of metal ions in hydrogels are through direct diffusion and ligand making manner.KEY WORDS: ESR \ IONOMER \ HYDROGEL \ ADSORPTION \ OT \ Mn++