Manyetik-poli(etilenglikoldimetakrilat-n-vinil-2-pirolidon) sentezi, karakterizasyonu ve sulu çözeltilerden ağır metal iyonları adsorpsiyon parametrelerinin araştırılması

Abstract

Ağır metallerin giderilmesi amacıyla manyetik poli(etilenglikoldimetakrilat-n-vinil-2-pirolidon) [m-poli(EG-VPO)] mikroküreleri Fe3O4 nanopartikül varlığında süspansiyon polimerizasyonu yöntemiyle sentezlendi. m-poli(EG-VPO) mikroküreleri elementel analiz, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon izoterm testi, şişme testi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve manyetizma ölçümleri ile karakterize edildi. m-poli(EG-VPO) mikrokürelerinin spesifik yüzey alanı 140,7 m2/g, şişme oranı, %40.19, sıfırlayıcı alan, Hc=0,0118 T, elementel analiz sonuçlarında azot oranı %N = 3.77 olarak belirlendi. Bu durum, m-poli(EG-VPO) mikrokürelerinin yumuşak manyetik malzeme olduğunu ve n-vinil-2-pirolidon ligantının polimerik yapıya girdiğini göstermektedir. Elde edilen mikrokürelerin ağır metal iyonları uzaklaştırılmasında kullanılabilirliğini araştırmak amacıyla Hg(II), Cu(II) ve Cr(VI) iyonları incelendi. Mikrokürelerin adsorpsiyon kapasitesi üzerinde etkili parametrelerden pH, başlangıç ağır metal iyonu derişimi, sıcaklık, zaman etkisi incelendi. Maksimum uzaklaştırma Cr(VI) iyonları için pH 2,0de; Cu(II) iyonları için pH 5,0 te; Hg(II) iyonları için pH 6,5 te gözlendi. Sıcaklığın adsorpsiyona etkisi incelenmesi sonucunda, sıcaklığın 4oC den 65oC ye çıkarılmasıyla ağır metal iyonları adsorpsiyonunun arttığı gözlendi. m-poli(EG-VPO) mikrokürelerinin maksimum adsorpsiyon kapasitesi Hg(II), Cu(II) ve Cr(VI) iyonları için sırasıyla 400,0 mg/g, 270,3 mg/g ve 109,9 mg/g olarak belirlendi. Bu durum sulu çözeltilerden ağır metal iyonlarını uzaklaştırılmasında m-poli(EG-VPO) mikrokürelerinin etkili olduğunu göstermektedir. Kütle bazında ilgi sırası Cu(II) > Cr(VI) > Hg(II) şeklindedir. Adsorpsiyon kinetikleri incelenerek mevcut sistem için 4, 25, 45 ve 65oC de Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon izotermlerine uygulanabilirlik test edildi ve Langmuir modeline uygun bulundu. Ayrıca yalancı 1. derece, yalancı 2. derece ve partikül içi difüzyon modelleri de adsorpsiyon kinetiğinin incelenmesinde kullanıldı. Gibbs serbest enerji, entalpi ve entropi değişimi gibi termodinamik parametreler hesaplanarak sıcaklık etkisi belirlenmesi sonucunda adsorpsiyon sürecinin endotermik olduğu ve kendiliğinden gerçekleştiği belirlendi.

Magnetic poly(ethyleneglycoldimethacrylate-n-vinyl-2-pyrrolidone) [m-poly(EG-VPO)] microbeads were synthesized by suspension polymerization technique in the presence of magnetite Fe3O4 nano-powder with the aim of heavy metal removal. M-poly(EG-VPO) microbeads were characterized by elemental analysis, N2 adsorption-desorption isotherm tests, swelling studies, scanning electron microscope (SEM) and magnetism measurements. The specific surface area of the m-poly(EG-VPO) beads was found to be 140,7 m2/g and the swelling ratio was 40,19%, coercive field was 0,00118, nitrogen ratio was %3,77. It was determined that m-poly(EG-VPO) microbeads were soft magnetic materials and the ligand N-vinyl-2-pyrrolidone was inserted into the polymer structure. In order to investigate usability of m-poly(EG-VPO) microbeads for heavy metal removal, Hg(II), Cu(II) and Cr(VI) ions were studied . Effects of pH, initial heavy metal ions concentration, temperature, contact time were investigated as the effective parameters on the adsorption capacities of the microspheres. Maximum uptake was obtained for Cr(VI) ions at pH 2,0; Cu(II) ions at pH 5,0; Hg(II) ions at pH 6,0. The result of the effect of temperature on the adsorption was that the adsorption of heavy metal ions was increased with the rise in temperature from 4 to 65oC. The maximum adsorption capacities of the m-poly(EG-VPO) beads for Hg(II), Cu(II), Cr(VI) were found 400,0 mg/g, 270,3 mg/g, 45,01 mg/g and109,9 mg/g respectively. In other words m-poly(EG-VPO) beads are efficient to remove heavy metal ions from aqueous solutions. The affinity order on mass basis is Cu(II) > Cr(VI) > Hg(II). Adsorption kinetics have been tested and the applicability of the Langmuir and Freudlich adsorption isotherms for the present system have been tested at 4, 25, 45 and 65oC and the Langmuir model was adequate. Also pseudo-first-order, pseudo-second-order and intraparticle diffusion models were used to describe the adsorption kinetics. In consequence of the study of temperature effect was quantified by calculating various thermodynamic parameters such as Gibbs free energy, enthalpy and entropy changes, adsorption process was endothermic in nature and spontaneous.