Poliakrilamit-bentonit/zeolit kompozitlerine Tl+ ve Tl3+ adsorpsiyonunun incelenmesi

Abstract

Talyum (Tl), genellikle sülfür mineralleri ile birlikte bulunan doğal bolluğu oldukça düşük (%3x10-5), optik malzemeler, nükleer sayım dedektörleri ve fotosel hücrelerin üretiminde kullanılan değerli bir metaldir. Canlılara toksin etkisi olup, insan için ölümcül dozu 15-20 mg kg-1'dır. Akut Tl zehirlenmeleri %6-15 ölümle sonuçlanırken, kurtulanların %50'ye yakınında kalıcı görme bozuklukları ve nörolojik hasarlar bilinmektedir. Bu nedenlerle, Tl iyonları içeren çözeltilerden Tl geri kazanımı hem çevresel hem de ekonomik olarak önem taşımaktadır.Adsorpsiyon (katı faza özütleme) yöntemi sulu çözeltilerden metal iyonlarının uzaklaştırılmasında/geri kazanımında pratik ve ekonomik oluşu nedeniyle tercih edilen bir yöntemdir. İdeal bir adsorban, metallere kimyasal ilgisi, adsorpsiyon kapasitesi ve adsorpsiyon hızı yüksek, ekonomik ve tekrar kullanılabilir olmalıdır.Kil ve zeolitler (alüminasilikatlar) doğadaki bollukları (ekonomik) ve yüksek adsorpsiyon kapasiteleri nedeni ile potansiyel adsorbanlardandır. Ancak, sulu çözeltilerde koagülasyon/agregasyona uğramaları nedeni ile geçirgen özelliklerini yitirmeleri bunların pratik kullanılabilmeleri açısından bir dezavantajdır. Bu durum adsorpsiyon ortamının hidrodinamik özelliklerini olumsuz etkilerler. Bentonit (B) veya zeolit (Z)'nin bu olumsuz özellikleri bir hidrojel ile kompozit yapıda adsorban olarak kullanılması ile aşılabilir. Bu hidrojel örneğin poliakrilamitte olduğu gibi yüksek su tutma kapasiteli ve asal (inert) özelliklerde olmalıdır. Bu araştırmanın amacı biri faz farklı mikro diğeri tabakalı nanokompozit özellikte olan Poliakrilamit-Zeolit (PAA-Z) ve PAA-Bentonit (PAA-B)'in Tl+ ve Tl3+ için adsorban özelliklerinin 201Tl izotopunun izleyici olarak kullanıldığı izotop seyreltme yöntemiyle araştırmaktır.Kompozitler ve bileşenlerinin yapısal karakterizasyonunda FT-IR, XRD ve SEM, adsorpsiyon araştırmalarında ise Tl+ ve Tl3+ ölçümleri için NaI(Tl) detektör, çok kanallı analizör bununla kombine bilgisayar donanım ve yazılım sisteminde ölçülen 201Tl ?-aktivite değerlerinden yararlanılmıştır. Adsorban özellikler pH, iyon derişimi, sıcaklık ve zamana bağlı değişimler ile incelenmiş, adsorban özelliğin tekrarlanabilirliği ise ardışık kullanımlar araştırması ile saptanmıştır. Bunlara ek olarak, adsorpsiyona ortam iyon şiddeti, sülfürlü mineral kökenli Fe, Pb ve Zn iyonları ve deniz suyu ortamının etkileri de araştırılmıştır. İzotermlerin Langmuir, Freundlich ve Dubinin-Radushkevich (D-R) modellerine uyumundan adsorpsiyon parametreleri türetilmiş, adsorpsiyonun termodinamik ve kinetik değerlendirmelerinde van't Hoff, yalancı ikinci derece hız denklemi ve Weber-Morris parçacık içine difüzyon (intra-particle diffusion) denklemleri kullanılmıştır.Yapısal analizler kompozit yapıların oluşumunu gösteren kanıtlar sunmuş, adsorpsiyonun derişimle değişiminden elde edilen deneysel izotermlerin Langmuir ve Freundlich modellerine uyumundan türetilen parametreler PAA-Z'nin her iki tür Tl iyonuna da PAA-B'den daha yüksek ilgisinin olduğunu göstermiştir. Her iki adsorban ve her iki iyon için de D-R modelinden türetilen adsorpsiyon enerji değerleri adsorpsiyonun kimyasal nitelikte olduğunu (E>8 kJ mol-1), kinetik araştırmalar adsorpsiyonun yalancı ikinci derece kinetik denklemine uyduğunu ve adsorpsiyonun yaklaşık 60-90 dk içinde tamamlandığını, termodinamik değerlendirme sonuçları ise adsorpsiyonun endotermik ( ? H>0), kendiliğinden ( ? G<0) ve entropi artışlı ( ? S>0) olduğunu kanıtlamıştır.Sonuç olarak, bu tez kapsamında araştırılan kompozit yapılardan özellikle PAA-Z olmak üzere Tl+ ve Tl3+ iyonları için yüksek kapasiteli ve tekrar kullanılabilir adsorbanlar olduğu sonucuna varılmış, PAA-Z'nin Tl+ adsorpsiyonu için ortam iyon şiddetinden etkilenmeksizin kullanılabilecek bir adsorban olduğu kanıtlanmıştır.

Thallium (Tl) l is a precious metallic element with a very low natural abundance and usually found in the the sulfur minerals at trace levels. It has a great industrial importance and used in the production of optical materials, detectors in nuclear counting systems and photocells. Tl is also toxic for the biotic systems with a lethal dose for humans are 15-20 mg kg-1. It has been reported that the 6-15% of the acute Tl poisonings were resulted in lethality, whilst %50 of survivors suffered from permanent neurological and visual disorders. That?s why, the recovery of Tl from aquatic environment is immensely important in view of both environmental and economical concerns.Adsorption (solid phase extraction; SPE) is a preferable method for removal/recovery of metal ions from aquatic environment because of its useful economical and practicality features. An ideal adsorbent should be economic besides it should have chemical affinity to metal ions, high sorption capacity, high sorption rate and capable of regeneration (re-usable).Naturally high abundant materials are potential adsorbents; bentonite and zeolite like minerals are amongst the favorites. The coagulation/aggregation of these minerals in aquatic environment caused of the lost of their permeable features is of drawbacks for their practical use, since it has inverse effect on hydrodynamic features of adsorption medium. These drawbacks can be solved by the use of Bentonit (B) or Zeolite (Z) as its composites with a hydrogel. This hydrogel as in Ployacrylamide (PAA) should have high water imbibing capacity and inert adsorptive features for metal ions. The aim of this thesis is that to investigate adsorptive features of the one with phase separated micro-composite of PAA and Z (PAA-Z) and the other with laminated nano-composite of PAA and B (PAA-B) for Tl+ and Tl3+ by employing the isotope dilution technique for 201Tl as the tracer.FT-IR, XRD and SEM analysis were used for the structural characterizations of the composites and gamma measurements system including NaI(Tl), multi channel analyzer and related software was employed for determination of the adsorptions of Tl+ and Tl3+. The adsorptions were determined by isotope dilution analysis of 201Tl, the adsorbed amounts were calculated with reference to the counts measured under the characteristic gammas of 201Tl at 76, 135 and 176 keV. The adsorptive features were investigated in view of the dependency of adsorption to ion concentrations, temperature and time, and the nature adsorptions were evaluated with reference to the obtained profiles of adsorption isotherms, thermodynamic and kinetics parameters. Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich were the models for the experimental isotherms, van?t Hoff equation was for the thermodynamic, and pseudo second order and Weber-Morris intra-particle diffusion models were for the kinetics evaluations, from these the parameters related to the nature of adsorption were obtained. The continuity of adsorptive features was tested by reusability experiments.Structural analysis showed evidences for the formation of composite; the parameters obtained from Langmuir and Freundlich models indicated that PAA-Z had higher affinity to the both types of ionic species of Tl than PAA-B. For both adsorbents and for both species, the adsorption energies derived from D-R suggested that the nature of adsorptions were chemical (E>8 kJ mol-1), the kinetics of sorption was well compatible to the pseudo second order kinetics model and the overall adsorption was completed within 60-90 min, whilst thermodynamics evaluations signifying that the sorption process had endothermic (?H>0), spontaneous (?G<0) and increasing entropy (?S>0) features.In consequence, the results obtained for the composites studied in the context of this thesis showed that both adsorbents, PAA-Z in particular had high sorption capacities for both Tl+ and Tl3+ and re-usable features. It was proved that PAA-Z could be used for Tl+ sorption without effecting from the ionic intensity of the adsorption medium.