Uranyum ve toryumun adsorpsiyonu için aljinat biyopolimerlerinin hazırlanması ve çeşitli uygulama alanlarının incelenmesi
Preparation of alginate biopolymers for uranium and thorium adsorption and investigation of different application areas
Yazar: CEM GÖK
Danışman: PROF. DR. ŞULE AYTAŞ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Adsorbentler = Adsorbents ; Aljinatlar = Alginates ; Toryum = Thorium ; Uranyum = Uranium

Özet:
Bu tez çalışmasında, uranyum ve toryumun adsorpsiyonu için Na-aljinat tuzu kullanılarak, çeşitli aljinat biyopolimerleri hazırlanmış ve elde edilen biyopolimerler arasında Ca-aljinat biyopolimerinin uranyum ve toryum adsorpsiyonunda etkinliği incelenmiştir. Ayrıca Ca-aljinat biyopolimerinin bazı fiziksel özellikleri belirlenerek, FT-IR, SEM, XRD analizleri ile karakterizasyonu yapılmıştır.Çalışmada, Ca-aljinat biyopolimerleri kullanılarak sulu çözeltilerden uranyum ve toryum adsorpsiyonunu etkileyen çözelti pH'ı, başlangıç uranyum ve toryum konsantrasyonu, çalkalama süresi, biyokütle dozu ve sıcaklık gibi parametreler incelenmiş ve optimum alım koşulları saptanmıştır. Elde edilen sonuçlar biyosorbent başına adsorplanan uranyum ve toryum miktarları (mg/g), dağılma katsayıları (Kd, mL/g) ve adsorpsiyon verimleri (%) hesaplanarak değerlendirilmiştir. Belirlenen optimum koşullarda biyosorbent başına adsorplanan uranyum miktarı, alım verimi ve Kd değerleri sırasıyla 22.7±0.2 mg/g, %91±1 ve 10043±834 mL/g olarak bulunmuştur. Toryumun belirlenen optimum koşullar altında biyosorbent başına adsorplanan toryum miktarı, alım verimi ve Kd değerleri ise sırasıyla 47.1±0.3 mg/g, % 94±1 ve 16566±1714 mL/g olarak saptanmıştır.Uranyum ve toryumun biyosorbent üzerine adsorpsiyonu için, adsorpsiyon entalpisi, serbest enerji değişimi ve entropi değişimi gibi termodinamik parametreler hesaplanmış, her ikisi içinde adsorpsiyon prosesinin endotermik karakterli olduğu, adsorpsiyon işleminin istemli gerçekleştiği bulunmuştur. Ca-aljinat biyopolimeri ile sulu çözeltilerden adsorplanan uranyum ve toryum için elde edilen deneysel verilerin Langmuir, Freundlich ve Dubinin-Radushkevich (D-R) izotermlerine uygunluğu araştırılmıştır. Biyosorbentin gözenekli hidrojel yapısında olması ve çeşitli fonksiyonel grupların adsorpsiyon sürecinde aynı anda etkin olabilmesi nedeniyle, adsorpsiyon mekanizmasının oldukça karmaşık olduğu ve elde edilen verilerin aynı anda birkaç izoterme uyabildiği görülmüştür.Yüklü biyosorbentten uranyum ve toryum iyonları için geri alım denemeleri yapılmış, 1 M HCl ile optimum geri alım koşullarında ve 3 kademe sonunda uranyum için %99±1; toryum için %91±1 geri alım verimi elde edilmiştir. Uranyum ve toryum iyonlarının Ca-aljinat biyopolimeri tarafından adsorpsiyonunda, farklı metal iyonlarının etkileri incelenmiştir. Yapılan denemeler sonucunda, biyosorbentin uranyum ve toryum iyonlarına seçici olmadığı gözlenmiştir. Ayrıca uranyum, toryum ve farklı metal iyonlarının Ca-aljinat biyopolimerine adsorpsiyon mekanizması tartışılmıştır.Elde edilen sonuçlara göre, seyreltik sulu çözeltilerden uranyum ve toryum iyonlarının adsorpsiyonunda ekonomik, etkili ve doğal bir biyosorbent olan Ca-aljinat biyopolimerinin kullanılması; yüksek kapasite, basit proses, ekonomik avantaj ve çeşitli kimyasallardan çevrenin korunması yönünden diğer konvansiyonel ayırma ve arıtma proseslerine göre iyi bir seçenek oluşturabilecektir. Ca-aljinat biyopolimerleri, gastrik ve intestinal ortamlardan in-vitro denemelerle uranyum ve toryumun giderimi için kullanılmış ve yeni bir şelatlayıcı ajan olarak önerilmiştir.

Abstract:
In this thesis , various types of alginate biopolymers were prepared using Na-alginate salt and Ca-alginate biopolymers have been selected as a biosorbent. Adsorption characteristics of Ca-alginate biopolymers for uranium and thorium adsorption were investigated. In addition, some physical properties of Ca-alginate biopolymers have been examined and their morphological characterizations have been conducted by FT-IR, SEM, XRD techniques.In the study, the parameters of solution pH, concentration of uranium and thorium, contact time, biomass dosage and temperature were investigated using Ca-alginate biopolymers in aqueous solutions and optimum conditions for adsorption process were determined. Obtained results have been evaluated by means of their sorption capacity (mg/g), distribution constant (Kd, mL/g) and percent adsorption. The sorption capacity, percent adsorption and distribution constant for uranium ions under the optimized experimental conditions were 22.7±0.2 mg/g, %91±1 and 10043±834 mL/g, and for thorium ions were 47.1±0.3 mg/g, % 94±1 and 16566±1714 mL/g, respectively.Thermodynamic parameters including the change in free energy, enthalpy and entropy were used to describe thermodynamic behavior of the adsorption of uranium and thorium onto Ca-alginate biopolymers. The thermodynamic parameters obtained for uranium and thorium adsorption onto biosorbent show endothermic in nature and the process is spontaneous. Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich (D-R) models were applied to describe the adsorption isotherm of uranium and thorium by Ca-alginate biopolymers. The adsorption of uranium and thorium on Ca-alginate biopolymers was represented by several models simultaneously since the structure of biosorbent is porous hydrogel and various functional groups are active simultaneously on during adsorption process.Uranium and thorium recovery were investigated on loaded Ca-alginate biopolymers. Recovery yields of uranium and thorium were achieved by 1 HCl solution as %99±1 for uranium and %91±1 for thorium using optimum desorption conditions. The effect of different metal ions on the adsorption of uranium and thorium by Ca-alginate biopolymers was analysed. It has been observed that biosorbent is not selective for uranium and thorium ions. Adsorption mechanism of uranium, thorium and different metal ions by Ca-alginate biopolymers was also discussed.On the basis of the data, it can be concluded that prepared biosorbent can be used effectively for the adsorption of uranium and thorium ions from dilute aqueous solution. Due to the high adsorption capacity of the adsorbent, plus its economic advantage and environmental friendly nature would make this natural biopolymer a promising adsorbent for the wastewater treatment compared with conventional processes. Ca-alginate biopolymers have been used to remove uranium and thorium from the gastrointestinal tract by in-vitro experiments and suggested as a new approach for chelating agent.