Prusya mavisi ile modifiye edilmiş vermikülit manyetik nanopartiküllerin sezyum adsorpsiyonunda kullanımı

Mevcut çalışmada, 137Cs'nin 30 yıllık uzun bir yarı ömre sahip olduğu ve bulunduğu ortamdan uzaklaştırılması gerektiği, ayrıca adsorpsiyon yönteminin endüstriyel ve bilimsel skalada metal iyonlarının çözeltilerden uzaklaştırılmasında avantajlı bir yöntem olduğu bilindiğinden, Türkiye'de Sivas-Yıldızeli bölgesi Karakoç madeninden yerel madencilik prosedürleri ile çıkarılan vermikülit minerali ile Prusya mavisi molekülü Fe3O4 nanopartiküllerin bulunduğu ortamda sentezlenmiş ve bir Cs adsorbanı olarak kullanılmıştır. Bu çalışma temel olarak 3 kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda, ülkemizde Sivas-Yıldızeli bölgesi Karakoç madeninden yerel madencilik prosedürleri ile çıkarılan vermikülit mineralinin yapı karakterizasyonu FT-IR, XRF ve XRD karakterizasyon yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiş, mineralin yapısındaki fonksiyonel gruplar, farklı türlerdeki bileşikler ve mineralin kristal örgüsü aydınlatılmış, vermikülit minerali kullanılarak Cs adsorpsiyonda optimum koşulların belirlenmesi için denemeler yapılmıştır. İkinci kısımda, hidrotermal sentez yöntemi kullanılarak manyetit (Fe3O4) nanopartiküllerin varlığında bilimsel literatürde ilk defa, ülkemizde bulunan vermikülit minerali ile Prusya mavisi molekülünün modifikasyonu sonucunda yeni nesil PB/Fe3O4/VER nanokompozit sentezlenmiştir. Yapılan VSM analizi ile nanokompozitin manyetizasyon değerinin düşük olduğu gözlenmiştir. Üçüncü kısımda, hidrotermal sentez ile elde edilen nanokompozitin doygunluk manyetizasyon değerinin yükseltileblmesi ve karşılaştırma yapılabilmesi için alternatif bir sentez yöntemi olan çöktürme sentez yöntemi uygulanarak alkali ortamda yeni nesil PB/Fe3O4/VER nanokompozit elde edilmiştir. FT-IR, XRD, SEM-EDX ve VSM analizleri sonucunda hidrotermal ve çöktürme yöntemleri ile elde edilen yeni nesil nanokompozitlerin başarılı bir şekilde sentezlendiği görülmüştür. Ayrıca çöktürme sentezi ile elde edilen nanokompozitin hidrotermal sentezle elde edilene kıyasla doygunluk manyetizasyon değerinin yaklaşık 140 kat arttırıldığı gözlenmiştir. Cs adsorpsiyon prosesinde yapılan optimizasyon çalışmalarında ham vermikülit için optimum koşullar; adsorban miktarı 0,2 g, çözelti pH'ı 8, Cs başlangıç konsantrasyonu 200 mg/L, çalkalama süresi 5 saat ve sıcaklık 25°C olarak bulunmuştur. Hidrotermal sentez ile elde edilen PB/Fe3O4/VER nanokompozit için optimum çözelti pH'ı ve optimum Cs başlangıç konsantrasyonu sırasıyla pH 5 ve 200 mg/L olarak saptanmıştır. Çöktürme sentezi ile elde edilen PB/Fe3O4/VER nanokompozit için yapılan optimizasyon çalışmalarında nanokompozit miktarı, optimum çözelti pH'ı, optimum Cs başlangıç konsantrasyonu, optimum çalkalama süresi ve optimum sıcaklık sırasıyla 0,5 g, pH 6, 100 mg/L, 1 saat ve 40°C olarak bulunmuştur. Buna göre optimum koşullarda ortamdaki Cs+ iyonlarını sırasıyla ham vermikülit %87, hidrotermal sentez yöntemi ile elde edilen nanokompozit %83, çöktürme sentez yöntemi ile elde edilen nanokompozit ise %91 verimle adsorplayabilmiştir. Dolayısıyla çöktürme sentezi ile edilen nanokompozitin ham vermikülit ve hidrotermal sentezle elde edilen nanokompozite kıyasla sezyumu daha yüksek bir verimle adsorplayabilme etkinliğine sahip olduğu tespit edilmiştir. Adsorpsiyonun fizikokimyasal ve termodinamik karakterinin belirlenmesi, adsorpsiyon kinetiğinin aydınlatılması için yapılan çalışmalarda ham vermikülit için prosesin Langmuir, Freundlich, D-R ve Temkin izotermleri ile uyumlu olduğu, dolayısıyla adsorpsiyonun hem fiziksel hem de kimyasal bir karaktere sahip olduğu görülmüştür. D-R izotermi sonucunda elde edilen adsorpsiyon enerjisi 16,23 kJ/mol, adsorpsiyon prosesinde kimyasal adsorpsiyonun hakim olduğuna işaret etmektedir. Bununla beraber, adsorpsiyonun yalancı 2. dereceden kinetik modele uyduğu gözlenmiştir. Adsorpsiyon prosesinin kendiliğinden ve ekzotermik olduğu, ayrıca, Cs'un vermikülit yüzeyinde adsorpsiyonu esnasında sıvı-katı faz arasındaki düzensizliğin arttığı sonucuna varılmışır. Farklı türlerdeki elüsyon çözeltileri ile gerçekleştirilen desorpsiyon çalışmalarında oksalik asidin 45°C ve 65°C'de Cs+ iyonlarının %90-%100'ünü desorplayabildiği gözlenmiştir. Ortak iyon çalışmalarında çözelti ortamında K+ iyonlarının 2 katı konsantrasyonda Cs+ iyonları varlığında %65 verimle Cs adsorpsiyonu gerçekleştirilebilmiştir. Hidrotermal sentezle elde edilen nanokompozit ile yapılan çalışmalarda Cs adsorpsiyon prosesinin Langmuir, Freundlich ve D-R izotermlerinin tamamı ile uyumlu olduğu, dolayısıyla proseste hem kimyasal hem de fiziksel bir adsorpsiyonun var olduğu gözlenmiştir. D-R izotermi sonucunda elde edilen adsorpsiyon enerjisi 10 kJ/mol olarak bulunmuştur. Çöktürme sentezi ile elde edilen nanokompozit ile yapılan çalışmalarda Cs adsorpsiyon prosesinin Freundlich ve D-R izotermi ile uyumlu olduğu, dolayısıyla prosese fiziksel bir adsorpsiyonun hakim olduğu sonucuna varılmış, D-R izotermi sonucunda elde edilen adsorpsiyon enerjisi 0,92 kJ/mol bu sonucu doğrulamıştır. Kinetik çalışmalara göre adsorpsiyon prosesinin yalancı 2. dereceden kinetik model ile uyumlu olduğu gözlenmiştir. Termodinamik çalışmalar prosesin dış bir enerjiye ihtiyaç duymadan kendiliğinden gerçekleşebildiği, ekzotermik bir karakterde olduğu ve adsorpsiyonda iki faz arasındaki düzensizliğin arttığını göstermektedir. Elüsyon çözeltileri ile yapılan desorpsiyon çalışmalarında geri alım verimlerinin oldukça düşük olduğu, ortak iyon etkisinde çözelti ortamındaki Cs+ iyonlarının 4 katı konsantrasyonda K+ iyonları varlığında dahi %90'ın üstündeki verimlerle Cs adsorpsiyonun gerçekleştirilebildiği tespit edilmiştir.