Bentonit, poliakrilamid-bentonit ve poliakrilamid-bentonit-fitik asit yapılarına bazı radyoaktif metaller ile demir ve çinko adsorpsiyonu

Abstract

IV ÖZET Yüksek Lisans Bentonit, Poliakrilamid-Bentonit ve Poliakrilamid-Bentonit-Fitik Asit Yapılarına Bazı Radyoaktif Metaller ile Demir ve Çinko Adsorpsiyonu Selçuk ŞİMŞEK Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı SİVAS Danışman: Yrd.Doç.Dr. Ulvi ULUSOY özellikle aralarında yüksek soğurum kapasiteli kil mineralleri ve hidrojellerin de bulunduğu bir çok adsorplayıcı ağır metal kirlilikleri ve diğer atıkların gideriminde kullanılmaktadır. İki ve üç değerli katyonlarla çözünmeyen kompleksler oluşturan fitik asit ise özellikle yağlı tohumlarda, baklagil tohumlarında ve tahıllarda çokça bulunan büyük bir fosfor bileşiğidir. Bentonit su ile etkileştiğinde jelimsi ve yapışkan bir yapı oluşturur, bu ise bentonitin pratik kullanımını (kolon dolgu maddesi gibi) zorlaştırır. Bir hidrojel olan poliakrilamid ise inert ve pratik kullanılabilirlik özelliklerine sahip bir maddedir. Bu iki farklı özellikteki yapının bir birleşik (kompozit) olarak kullanımı bu araştırmanın temelini oluşturmaktadır. Oluşturulan bu yapı ile saf bentonit (B) ve poliakrilamid (PAA) yapılarının adsorpsiyon özellikleri; Fe3+, Zn2+, UC*22+ ve yüksek Uranyum-Toryum içerikli doğal kayaçtan özütlenen çözeltiden doğal radyoaktif metal iyonlarının adsorpsiyon çalışmaları ile araştırılmıştır. PoHakrilamid-bentonit (PAA-B) yapısının adsorplama özelliklerinin, bu yapıya fitik asit (FA) adsorpsiyonu ile değişimi de yine ilgi metal iyonları için araştırılmıştır. Kullanılan adsorplayıcıların yapısal karakterizasyonları belirlenmiş, ilgi türler için adsorpsiyon kapasitelerinin sıcaklık ve derişim iledeğişimleri araştırılarak termodinamik parametreleri türetilmiştir. Ayrıca, saf ve fitik asit adsorplanmış poliakrilamid-bentonit bileşimlerinin adsorplayıcı olarak tekrar kullanılabilirlikleri ve depolanabilirlikleri Fe3+ için, seçicilikleri ise Fe3+, Zn2+, UO22+ içeren çözeltiler için araştırılmıştır. PAA-B ve PAA-B-FA yapıları için adsorpsiyon açısından Fe3+ için depolanabilirlik, tekrar kullanılabilirlik araştırılmıştır. Fe3+, Zn2+ ve UO22+ için metal seçiciliği ve adsorplanan metallerin 1 M HC1 ile geri kazammları da araştırılmıştır. Kullanılan adsorplayıcıların yapısal karakterizasyonu FT-IR spektrumları almarak yapılmıştır. Adsorpsiyon araştırmalarında; Fitik asit kondüktometrik, Zn2+ FAAS, U022+ UV-Vis spektrofotometrik, Fe3+ (radyoaktif 59Fe izleyici kullanarak) ve kayaçtan özütlenen doğal radyoaktif element iyonları ise gama spektrometrik [Nal(Tl) dedektör ile kombine çok kanallı analizör içeren sayım sistemi kullanarak] yöntemler ile saptanmıştır. Poliakrilamid-Bentonit (PAA-B) ve Bentonite Fitik Asitin (FA) -P-OH üzerinden bağlandığı, FT-IR spektrumları ile kanıtlanmıştır. Adsorpsiyon çalışmaları ile elde edilen veriler Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon izotermlerine göre değerlendirilmiş ve ilgili parametreler türetilmiştir. Buna göre PAA'e FA adsorpsiyon izotenninin Giles smıflandırılmasmda S tipi olduğu, tüm diğer adsorpsiyon izotermlerinin ise Langmuir izoterm tipine (L-tip) uyduğu bulunmuştur. Langmuir denkleminden türetilen parametreler doğrultusunda PAA- B-FA için maksimum adsorpsiyon kapasitesi, Xm'ui Fe3+>Zn2+>U022+ sıralamasında, PAA-B-FA için ise Zn2+>Fe3+>UO>22+ sıralamasında olduğu bulunmuştur. Kullanılan adsorplayıcılara tutturulan maddelerin farklı sıcaklıklardaki adsorpsiyonları incelenerek, Langmuir denkleminden türetilen ve denge sabiti ile ilgili olan K değerleri yardımıyla termodinamik parametreler bulunmuştur. Adsorpsiyon serbest entalpisi (AG°) tüm adsorpsiyon çalışmaları için negatif, adsorpsiyon entalpisi (AH0) ve adsorpsiyon entropisinin (AS0) ise adsorplanan türlere göre pozitif veya negatif olduğu saptanmıştır. Bu çalışma sonucunda ilk kez oluşturulan PAA-B ve PAA-B-FA kompozitlerinin metal adsorpsiyonunda kullanım kolaylığı sağladığı ve yüksek adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğu saptanmıştır. Bu adsorplayıcıların çevreVI kirliliğine neden olan metallerin uzaklaştırılmasında etkin olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Çevre kirliliğine neden olan diğer atıklar (ağır metaller, boya ve pestisit gibi diğer organik kirleticiler vb) için de olası adsorplayıcılar olabilecekleri düşünülmektedir. Anahtar Sözcükler : bentonit, adsorpsiyon, fîtik asit, metaller

vıı SUMMARY M. Sc. Thesis The Adsorption of Some Radioactive Metals and iron and Zinc on to the Structures of Bentonite, Polyacrylamide-Bentonite and Polyacrylamide-Bentonite-Phytic Acid by Selçuk ŞİMŞEK Cumhuriyet University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemistry Supervisor : Dr. Ulvi ULUSOY Many adsorbents, including clay minerals and hydrogels with high adsorption capacity have been used to remove environmentally toxic industrial waste, intensively. Phytic acid forming complexes insoluble in cations with 2 or 3 valence (FA) is a large phosphore compound which is contained in seeds, oil seeds, and cereal grains in plants. Bentonite turns to be a gel like sticky materials when interact with water, this feature is a disadvantage for practical use of bentonite in adsorption and separation procedures. Polyacrylamide, on the other hand posseses, have the features of being inert and practically usable in such investigations. This study has been based on the combine use of bentonite (B) and polyacrylamide (PAA), so called the polyacrylamide-bentonite (PAA-B) composite, to improve their induvidual features, in terms of the usage in adsorption investigations. The adsorption features of the B, PAA and PAA-B have been investigated for the adsorbed ions of Fe3+, Zn2+, UO22* and of radioactive elements in secularv equilibrium with U and Th in a solution leached from a rock containing a high amount of U and Th. The effect on the adsorption of FA adsorbed on PAA-B has also been investigated for the ions of interest. In addditon to the above interests,, the reusebility and storagability for Fe3+, and the ion selectivity and recoverability with İM HC1 for Fe3+, Zn2+, U022+ have also been investigated. The chemical structure of adsorbents used has been characterised by the use of FT-IR. For determination of the ions adsorbed, conductimetry for FA, FAAS for Zn2+, UV-VIS spectrophotometry for U022+, and gama spectrometry [Nal(Tl) combined with a multi-channel analyzer] for Fe3+ by the use radioactive 59Fe tracer and for the ions of radioactive elements leached from the rock were used. From the FT-IR spectra, it was confirmed that the FA was bound over the -P- OH to PAA-B and PAA-B-FA. The data obtained from the adsorption studies has been evaluated in accordance with the Langmuir and Freundlich isoterms, and the related parameters have been derived from the isoterms. From these evaluations the isoterm found for FA adsorption on to PAA was an S-type, whilst those for all other ions adsorption on to the all other adsorbents were L-type isoterms according to Giles classiffication. The maximum adsorption capacities, Xm, derived from the Langmuir equation for the PAA-B for the ions adsorbed were in an order of Fe3+>Zn2+>U022+, whilst those obtained for PAA-B-FA were Zn2+>Fe3+>UC>22+. The thermodynamic parameters were derived from the temperature dependent equilibruim concentrations and the parameter, K, which is equilibrium constant, obtained from the Langmuir equation. Negative free entalpy (AG0) of the adsorption has been found for the all adsorbents, which suggest the adsorption occurs spontaneously, whilst positive or negative adsorption enthalpy (AH°) and adsorption entropy (AS0) have been found, as depending upon the structural features and the nature of the adsorbents. In conclusion, it was found that the composite of PAA-B and its derivative modified with the FA, which is used the first time in this investigation can be used intensively in the adsorption studies, so they are having high adsorption capacities. It is foreseen that these composites can be used for the removal ofIX metals and other disposals (heavy metals, dye and pesticides etc.) causing environmental waste and for the waste management. Key words : bentonite, adsorption, phytic acid, metals