Çinko oksit-immobilize-montmorillonit içeren nanokompozit hidrojellerin boyar madde adsorpsiyonunda kullanımı

Abstract

Tekstil, kauçuk, kağıt, deri, plastik ve kozmetik gibi endüstrilerin atık sularında bulunan çeşitli tipteki zehirli boyar maddeler, en büyük çevresel sorunlardan biri olarak kabul edilir. Bu tür kirletici boyar maddelerin giderimi, hem sağlık açısından hem de çevresel hususlardan dolayı çok önemlidir. Bu bağlamda, hidrofilik polimerlerin çapraz bağlanması ile elde edilen, suda çözünmeyen fakat su içinde şişme özelliği gösteren ağ yapılar olarak tanımlanan hidrojeller, atık sulardan boyar madde gideriminde adsorban olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, sulu çözeltilerden boyar madde adsorpsiyonunda kullanılmak üzere nanoboyutta çinko oksit (ZnO) metal oksit immobilize edilmiş montmorillonit kili (ZnO-MMT) içeren kimyasal çapraz bağlı poli(akrilamit) (PAAm) nanokompozit hidrojeller sentezlenmiştir.Çalışma kapsamında, nanokompozit hidrojeller, eş-anlı serbest radikalik polimerizasyon reaksiyonu ile N,N-metilen bis-akrilamit (BAAm) çapraz bağlayıcısı ve radikalik başlatıcı çifti amonyum persülfat - sodyum metabisülfit varlığında sentezlenmiştir. Böylece, PAAm hidrojeli, MMT kili ve ZnO metal oksitin tek bir malzemede birleştirilmesi ile üçlü nanokompozit hidrojel hazırlanmıştır. Farklı yüzdelerde ZnO-MMT içeren nanokompozit hidrojellerin, sulu çözeltilerden bromotimol mavisi gideriminde kullanılması araştırılmıştır. Adsorpsiyon testlerinden elde edilen sonuçlar, hidrojellerin morfolojik yapıları ve kil tabakalarının nanokompozit hidrojel içerisindeki dağılımları ile ilişkilendirilmiştir. Saf PAAm ve nanokompozit hidrojellerin maksimum şişmiş formlarındaki basma mekanik dayanımları da araştırılmıştır. Nanokompozit hidrojellerin mekanik dayanımı ve modülü ile tokluk değerleri saf PAAm hidrojeline göre artmıştır. Ağırlıkça %0.25 ZnO-MMT içeren PAAm nanokompozit hidrojeli pH değeri 6 olan 30 ppm'lik boyar madde çözeltisi için, saf ZnO-MMT kili ve saf PAAm hidrojeline kıyasla sırasıyla, %1760 ve %125 daha fazla boyar madde adsorplamıştır. Adsorpsiyon izotermlerinden elde edilen adsorpsiyon kapasitesi değeri (k) de, aynı nanokompozit hidrojel adsorbanı için, saf PAAm hidrojeline kıyasla %300 daha fazla bulunmuştur. Bu sonuç, ZnO-MMT ile elde edilen hidrojellerde, kilin neden olduğu ikincil etkileşimlerden kaynaklanan çok daha küçük ve çok sayıda gözenek yapısının oluşmasına dayandırılmıştır. Ayrıca, ZnO metalinin yüzeyinde hidroliz sonucu oluşan hidroksit fonksiyonlu grupların ve MMT kil yüzeyinin de boyar madde adsorplanmasında ilave katkı sağladığı muhtemeldir.

The various types of toxic dyes found in the wastewater of industries such as textiles, rubber, paper, leather, plastics and cosmetics are regarded as one of the biggest environmental problems. Removal of such contaminant is very important for both human health and environmental issues. Within this context, hydrogels, which are obtained by cross-linking hydrophilic polymers, are described as water-insoluble but water-swellable networks. Hydrogels are used as adsorbents in removal of dye from waste water. In this work, cross linked poly (acrylamide) (PAAm) nanocomposite hydrogels which contains nanosized zinc oxide (ZnO) metal oxide immobilized montmorillonite clay (ZnO-MMT) were synthesized for dye adsorption from aqueous solutions.Within the scope of the study, nanocomposite hydrogels were synthesized by the in situ free radical polymerization reaction with N, N-methylene bis-acrylamide (BAAm) crosslinker and initiator redox pair ammonium persulfate-sodium metabisulphite. Thus, a triple nanocomposite hydrogel was prepared by combining PAAm hydrogel, MMT clay, and ZnO metal oxide in a single material. The use of nanocomposite hydrogels that contains ZnO-MMT in different percentages in the removal of bromothymol blue from aqueous solutions was investigated.The results obtained from the adsorption tests are related to the morphological structures of the hydrogels and the distribution of clay layer in the nanocomposite hydrogel. The compressive mechanical strengths of neat PAAm and nanocomposite hydrogels in maximum swollen forms were also investigated. Mechanical strength, modulus and toughness values of nanocomposite hydrogels are increased compared to neat PAAm hydrogel. PAAm nanocomposite with 0.25 wt% ZnO-MMT adsorbs 1760% and 125% more dye, respectively, compared to neat ZnO-MMT clay and neat PAAm hydrogel, for a pH:6 and 30 ppm dye solution. The adsorption capacity value (k) obtained from the adsorption isotherms was found to be 300% higher for the same nanocomposite hydrogel adsorbent than the neat PAAm hydrogel. This result is based on the formation of much smaller and numerous pore structures in the nanocomposite hydrogels obtained with ZnO-MMT. This pore structure determined from secondary interactions caused by clay. In addition, it is possible that hydroxyl functional groups that are formed as a result of hydrolysis on the surface of ZnO metal and MMT clay surface may contribute to the adsorption of dye.