Nanokompozit malzeme kullanarak sulu çözeltilerden Cs(I) uzaklaştırılması

Radyonüklid içeren radyoaktif atıklar en tehlikeli çevresel atık olarak düşünülürler. İçerdikleri radyonüklidlerin uzun yarı ömürlü, yüksek fizyon ürünleri olması, atmosferde çok hızlı bir şekilde hareket edebilmesi ve canlı metabolizmasına çok kolay bir şekilde katılması bu radyonüklidleri çok tehlikeli olmasının başlıca nedenlerindendir [1]. Radyoaktif atıklar nükleer güç santralleri işletilmesi sırasında ve bunların kazası sebebiyle, radyoizotop üretim tesislerinden, nükleer yakıt geri işlenmesinden ve üniversitelerin radyokimya laboratuvarlarından meydana gelirler. Bu radyonüklidler arasında en yaygın olanı Cs-137 ve Sr-90 radyoizotoplarıdır. Bu sebeple bu iki radyonüklidin sulu radyoaktif atık çözeltilerinden uzaklaştırılması çok önem kazanmıştır[2]. Günümüze kadar, sulu radyoaktif atıklardan Cs (I) ve Sr (II) iyonlarının uzaklaştırılmasında birçok metod uygulanmıştır. Bunların en önemlileri iyon değiştirme, çöktürme, adsorpsiyon, çözücü ekstraksiyon, elektrokimyasal ve membran prosesleridir. Adsorpsiyon prosesi diğer yöntemlere göre düşük maliyeti, termal kararlılığı, iyonlaştırıcı radyasyona karşı dirençliliği ve atığın son formuyla uyumlu olması nedenleri ile en çok tercih edilenidir[3]. Son zamanlarda, birkaç düşük maliyetli biyosorbentler ağır metallerin uzaklaştırılması araştırmalarında kullanılmıştır. Bu çalışmada, pirinç kabuğu-biyosorbent-tarımsal atık değerlendirilerek bir kompozit malzeme hazırlandı. Yenilikçi bir teknoloji olan manyetik malzemeler; atık sulardaki koagülasyonu hızlandırmada, sütten radyonüklidlerin uzaklaştırılmasında, organik boyaların adsorbsiyonunda ve petrol tanker kazaları sonucu denize dökülen petrolün uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır ve son yılların en ilgi çeken uygulamaları arasındadır. Manyetik kompozitler şu özellikleri göstermektedir: (i) Kil veya aktif karbon gibi adsorbentlerin adsorpsiyon özelliklerini ve Hematit'in manyetik özelliğini birleştirirler, (ii) farklı tipteki kontaminantların örneğin metal veya organik türlerin sudan uzaklaştırılmasında kullanılabilir, (iii)basit bir manyetik ayırma prosesi ile ortamdan kolaylıkla uzaklaştırılabilirler[4]. Nanokompozit malzemelerin genellikle yüksek performanslı santrifüj işlemleri ile ayrılması gerekir. Bu nanokompozitlerde karşılaşılan en önemli zorluktur çünkü hem zaman alıcıdır hem de pahalıdır ama nanokompozitleri manyetik ayırma ile ortamdan uzaklaştırılması kolay, etkili ve basittir. Son zamanlardaki literatür çalışmaları incelendiğinde Cs ve Sr adsorpsiyonunda bir çok adsorbent ve teknik kullanılmıştır. Bu çalışmada tarımsal bir atık olan pirinç kabuğundan elde edilen kül, hematit (Fe3O4) ile birleştirilerek nanokompozit bir malzeme sentezlendi ve sezyum ve stronsiyum adsorpsiyonunda kullanıldı. Literatürde pirinç kabuğu sulu radyoaktif atıklardan Cs uzaklaştırılmasında kullanılmış ancak külden hazırlanan herhangi bir kompozit malzeme sözü edilen analitlerin uzaklaştırılmasında kullanılmamıştır. Çalkalama (batch) yöntemi kullanılarak pH, sıcaklık, adsorbent miktarı, çalkalama süresi ve çalkalama hızı gibi adsorpsiyon parametrelerin adsorpsiyon üzerine etkileri araştırıldı. Optimum parametreler belirlendikten sonra Sr varlığındaki Cs adsorpsiyonun kapasitesi belirlendi. Süzüntüde kalan Cs ve Sr iyonlarının konsantrasyonları hava/asetilen alevinin kullanıldığı alevli atomik absorpsiyon spektrofotometresinde tayin edildi. SEM-EDX analizinden sonra, RHA-Fe3O4 adsorbentin partikül şeklinin düzenli olmadığı sonucuna varıldı. RHA- Fe3O4 oluşturmak üzere pirinç kabuğu külünün Fe3O4 ile muamelesi sonrası yüzey alanı pirinç kabuğunun yüzey alanının neredeyse iki katı kadar daha artmıştır. RHA-Fe3O4 yüzey alanı 156,34 m2/g'dır. XRF analizinden, RHA-Fe3O4 adsorbentinin Fe, Si, S, Sb ve Sn elementlerinden oluştuğu anlaşıldı ve sırasıyla yüzde miktarları 71,50, 18,93, 9,42, 0,08 ve 0,06 olarak belirlendi. Manyetik nanokompozit adsorbenti sentezlemek için önce pirinç kabuğu çift distile sui le toprak ve tozdan arındırılmak için yıkandı ve 76 saat boyunca 0.1 M HCl çözeltisinde saklandı sonar klorür iyonlarını uzaklaştırmak için üç kez çift distile sui le yıkandı ve 105 oC'de 2 saat kurutuldu. Kurutulmuş pirinç kabuğu kroze içerisine alındı ve 800 oC'de 5 saat fırında yakıldı. Bu işlemlerden sonar, 10 mL 2M FeSO4.7H2O ve 40 mL 1 M FeCl3 çözeltileri behere ilave edildi, 70 oC'ye kadar ısıtıldı ve 3,3 g pirinç kabuğu külü karıştırılarak behere ilave edildi. Hematit'i çöktürmek için 100 mL 5M NaOH çözelitisi damla damla ilave edildi. Çökelti çift distile sui le yıkandı ve mavi bantlı süzgeç kağıdı ile süzüldü. Sentezlenen siyah renkli manyetik kompozit 80 oC'de 2 saat fırında kurutuldu. pH, başlangıç konsantrasyonu, çalkalama süresi, adsorbent kütlesi ve sıcaklık gibi çeşitli değişkenlerin etkisi araştırıldı. Optimum parameter olarak pH:6, başlangıç konsantrasyonu 30 ppm, çalkalama süresi 30 dakika, adsorbent kütlesi 0,01 g ve sıcaklık 25 oC olarak belirlendi. Maksimum adsorpsiyon kapasitesi 28,82 mg Cs/g olarak bulundu. Denge adsorpsiyonu verileri Langmuir ve Freundlich izoterm modelleriyle açıklandı ve sonuçlar korrelasyon katsayısı 0,943 olan Langmuir modeline daha iyi uydu.