Poliakrilamit-tabakasal silikat nanokompozit hidrojellerinin sentezi ve ağır metal gideriminde kullanımı

Abstract

Hidrojeller hidrofilik polimerlerin çapraz bağlanması sonucunda suda çözünmeyen ancak su içinde şişme gösteren yapılardır. Birçok adsorpsiyon uygulamalarında kullanılabilmelerinden dolayı bu malzemeler büyük öneme sahiptir. Bu adsorpsiyon uygulamalarından biri de suyun saflaştırılması (ağır metal ve organotoksik maddelerin tutulması) işlemidir. Bu projede, polisakkarit ve protein yapısı içeren Spirulina mikroyosunun montmorillonit (MMT) kiline immobilizasyonu ile organofilik MMT (Sp-MMT) eldesi ve hazırlanan poli(akrilamit) (PAAm) nanokompozit hidrojellerinin metal adsorpsiyonu ile şişme özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Farklı dolgulama derecelerinde NaMMT ve Sp-MMT killerini içeren PAAm nanokompozit hidrojelleri, akrilamit (AAm) monomerinin in-situ serbest radikal polimerizasyon reaksiyonu ile N,N-metilen bis-akrilamit (BAAm) çapraz bağlayıcısı varlığında sentezlenmiştir. Sonuç nanokompozit hidrojellerin yapısal karakterizasyonu, X-Işını difraksiyonu (XRD) ve geçirimli elektron mikroskop (TEM) teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. Polimer nanokompozit hidrojellerin ısıl ve morfolojik özelliklerine nanodolgunun yükleme derecesinin etkisi, ısıl gravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) yöntemleri ile araştırılmıştır. Hidrojellerin krom metal iyonunu adsorplama kapasitesi, UV-VIS spektrofotometresi ile saptanmıştır. Saf PAAm hidrojeline göre, Sp-MMT dolgulu ve NaMMT dolgulu nanokompozit hidrojellerin daha yüksek şişme ve metal adsorplama kapasitesine sahip oldukları bulunmuştur. Ağırlıkça % 1 oranında Sp-MMT dolgusu içeren PAAm nanokompozit hidrojeli için eksfoliye nanokompozit yapısı, suda maksimum şişme ve gelişmiş ısıl özellikler elde edilmiştir. Bu nanokompozit hidrojelin aynı zamanda maksimum metal adsorplama kapasitesine sahip olduğu ve saf PAAm hidrojeline göre, yaklaşık % 312 daha fazla Cr6+ iyonunu adsorpladığı bulunmuştur. Metal adsorpsiyonundaki ve su absorpsiyonundaki bu önemli iyileşmenin nedeni, Spirulina'nın polimer matrise bağlı bir şekilde ve `açık formda` ağımsı bir yapı oluşturması ve böylece fonksiyonel gruplarının metal iyonu veya su ile etkileşme olasılığının yüksek olması ile ilişkilendirilmiştir. Diğer yandan, literatürde Spirulina ve MMT dolgusunun tek başlarına kullanıldıklarında sırasıyla ağırlıklarının sadece % 4.8 ve % 0.36'sı kadar Cr6+ iyonu adsorpladıkları rapor edilmiş olup, bu çalışmada hazırlanan ve % 1 Sp-MMT içeren PAAm nanokompozit hidrojelinin ise içerdiği Spirulina ağırlığının yaklaşık % 10000'i kadar Cr6+ iyonunu adsorpladığı bulunmuştur.

Hidrogels are a class of crosslinked polymer networks that are swollen in water without dissolving. These materials are of great importance since they can be used for large amounts of adsorption applications. One of these applicatons is their usage for water purification (trapping heavy metals or organotoxic materials). In this project, our objective was to enhance metal adsorption and swelling properties of polyacrylamide (PAAm) nanocomposite hydrogels by the immobilization of Spirulina microalg onto the clay to obtain an organophilic clay (Sp-MMT). Polyacrylamide (PAAm) nanocomposite hydrogels having Na-montmorillonite (NaMMT) and Spirulina modified MMT (Sp-MMT) clays in different loading degrees were prepared by free radical polymerization of acrylamide (AAm) in the presence of N,N-methylene bis-acrylamide (BAAm), as a crosslinker. The resultant nanocomposite hydrogels were characterized by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The effect of increased nanoclay loading in thermal and morphological properties were investigated by thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM), respectively. Chromium metal adsorption capacity was determined with UV-VIS spectroscopy. All the Sp-MMT and NaMMT reinforced nanocomposite hydrogels showed higher swelling and metal adsorption capacity compared to neat PAAm hydrogel. PAAm nanocomposite hydrogel having 1wt% Sp-MMT clay was found to have desired exfoliated structure, maximum swelling, and improved thermal stability. This nanocomposite also showed maximum metal adsorption capacity which is about 312 % higher than that of neat PAAm hydrogel at the highest metal concentration. The presence of Spirulina's open network structure observed via SEM where all potential binding sites are under receptive position was found to be responsible for the dramatic increase in the metal adsorption and water absorption. In the literature it was reported that Spirulina and MMT clay by themselves can remove only about 4.80 % and 0.36 % Cr+6 ion, respectively, with respect to their weights. In this study, this removal was found to increase up to about 10000 % Cr6+ ion with respect to Spirulina's weight in H-1SpM nanocomposite hydrogel.