Production of major industrial products may degrade the environment. It can result in
water pollution since it produces pollutants such as water-coloring agents and toxic
heavy metals that are extremely harmful and impair the environment even at low
concentrations. To reduce the risk of environmental pollution from these wastes, it is
necessary to treat them prior to discharging into the environment. The adsorption
process onto solid substrate and natural polymeric materials especially
polysaccharides is considered superior to other removal techniques.
Mercury deserves special attention among heavy metals such as cadmium, cobalt,
chromium, copper, lead, nickel, and zinc, which are highly toxic and dangerous.
Mercury spillage is highly dangerous because it destroys brain tissue, lungs, and has
the ability to distort protein leading to toxic effects; it mainly affects the kidney and
nerve system and may cause some disorders and diseases. Therefore, the removal of
mercury from aqueous solutions, especially drinking water, is very important in
hydrometallurgical and wastewater treatment. The main aim of this thesis is to
investigate the mercury ion removal ability of different natural polymers, cellulose,
chitosan, and pullulan.
For this purpose, acrylamide monomer has been grafted to chitosan, cellulose, and
pullulan and three different hydrogels were synthesized. In addition, the cellulosegraft-polyacrylamide/nano-hydroxyapatite
composite hydrogel and pullulan-graftpolyacrylamide
porous hydrogels were prepared and characterized using FTIR and
SEM. Then, the effects of several variables such as time, temperature, and pH on the swelling behavior of the hydrogels were examined. The results showed that the
cellulose-graft-polyacrylamide hydrogel with 5170 % has the maximum and
pullulan-graft-polyacrylamide hydrogel with 1554 % has the minimum swelling
amount. In addition, the swelling amount of all hydrogels significantly changed with
temperature and pH and the kinetics of swelling of hydrogels were best fitted with
the second-order model.
Finally, the adsorption studies of the mercury (II) ions on synthesized hydrogels were
performed to investigate their uptake performances. The results showed that the
maximum mercury ion adsorption by cellulose-graft-polyacrylamide hydrogel (1.93
g.g
-1
), cellulose-graft-polyacrylamide/hydroxyapatite composite hydrogel (1.99 g.g1
), chitosan-graft-polyacrylamide hydrogel (1.87 g.g-1
), pullulan-graftpolyacrylamide
hydrogel (1.75 g.g-1
), and pullulan-graft-polyacrylamide porous
hydrogel (1.78 g.g-1
) were attained after 24 h. In addition, batch adsorption
experiments in different conditions such as temperature, pH, mercury solution
concentration, with different amount of adsorbent were performed. According to the
results, all synthesized hydrogels are temperature, pH and concentration sensitive. In
addition, the kinetic, isotherm, and the thermodynamic parameters of adsorption
were calculated. The results indicated that adsorption of mercury ions on all
hydrogels followed pseudo-second-order kinetics and best fitted with Langmuir
adsorption isotherm with the highest maximum adsorption (qmax) of Hg(II) ions for
composite hydrogel and the lowest for pullulan based hydrogels. The negative value
of free energy change (ΔGº) and positive value of enthalpy change (ΔHº) shows the
adsorption process is spontaneous and endothermic. Finally, the regeneration ability
of hydrogels through desorption of mercury ions for three adsorption/desorption cycles were examined. It can be concluded that the synthesized hydrogels qualified
for practical application since they can be used repeatedly with negligible loss of
adsorption capacity for the mercury ions.
Keyword: Cellulose, chitosan, pullulan, hydroxyapatite, hydrogel, porous hydrogel,
composite hydrogels, water treatment, mercury
Öz: Büyük sanayi ürünlerinin üretimi çevreyi olumsuz etkileyebilmektedir. Su
renklendirici maddelerle son derece zararlı ve düşük konsantrasyonlarda bile çevreyi
bozan zehirli ağır metaller gibi kirletici ürünler su kirliliğinin nedenidir. Bu
atıklardan oluşan çevre kirliliği riskini azaltmak için,çevreye salınımları öncesi onları
gidermek gerekir.Katı yüzey ve doğal polimerik malzemeler, özellikle polisakkaritler
üzerine adsorpsiyon işlemi diğer giderim tekniklerine göre üstün kabul edilir.
Civanın son derece zehirli ve tehlikeli olan kadmiyum, kobalt, krom, bakır, kurşun,
nikel, ve çinko gibi ağır metaller arasında dikkate değer bir yeri vardır. Civa beyin
dokusu, akciğerleri tahrip ve protein bozucu toksik etkiye sahiptir, Ana etkisi ile
ağırlıklı olarak böbrek ve sinir sistemini etkileyerek bazı bozukluklar ve hastalıklara
neden olabilir. Bu nedenle, sulu çözeltilerden civa, özellikle içme suyu için,
hidrometalurjik ve atık sulardan arıtımı son derece önemlidir. Bu tezin temel amacı,
selüloz, kitosan ve pullulan gibi farklı doğal polimerlerin civa iyonu giderme
yeteneği araştırmaktır.
Bu amaçla, akrilamid monomerin kitosan, selüloz ve pullulana aşılanarak ve üç farklı
hidrojeller sentezlenmiştir. Buna ek olarak selüloz-aşı-poliakrilamid/nanohidroksiapatat
kmposit hidrojeli ve pullulan-aşı-poliakrilamid poroz hidrojelleri
hazırlanarak FTIR v SEM kullanarak karakterize edilmişlerdir. Daha sonra, bu
hidrojeller şişme davranışına karşın zaman, sıcaklık ve pH gibi çeşitli değişkenlerin
etkileri incelenmiştir. Sonuçlar selüloz-greft-poliakrilamid hidrojelinin % 5170
şişme değeri ile maksimum, pululan-greft-poliakrilamid hidrojelinin ise %1554 değerle minimum şişme yüzdesi değerine sahip olduğunu göstermiştir. Buna ek
olarak, tüm hidrojellerin şişme miktarı ısı ve pH ile önemli ölçüde değişimiş ve
hidrojellerin şişme kinetiği ikinci dereceden modeline uygunluk göstermiştir.
Son olarak, sentezlenen jellerin cıva (II) iyonlarının adsorpsiyon çalışmaları onların
tutma performanslarını araştırmak için yapılmıştır. Araştırma sonucunda, 24 saatlik
etkileşim süresi sonucundaki maksimum civa tutma kapasiteleri selüloz-aşı-
poliakrilamid hidrojeli (1.93g.g-1
), selüloz-aşı-poliakrilamid /hidroksiapatat kompozit
hidrojeli (1.99 g.g-1
), kitosan-aşı-poliakrilamid hidrojeli (1.87 g.g-1
), pululan-aşı-
poliakrilamid hidrojeli (1.75 g.g-1
), ve pululan-aşı-poliakrilamid poroz hidrojeli (1.78
g.g
-1
) olarak belirlenmiştir. Buna ek olarak, batch adsorpsiyon deneyleri adsorbentin
farklı bir miktarı ile, sıcaklık, pH, civa çözelti konsantrasyonlarının etkileşimleriyle
gerçekleştirilmiştir.
The negative value of free energy change (ΔGº) and positive value of enthalpy
change (ΔHº) shows the adsorption process is spontaneous and endothermic.
Elde edilen sonuçlara göre, tüm hidrojel sıcaklık, pH ve konsantrasyona duyarlıdır.
Buna ek olarak,adsorpsiyonun, kinetik, izoterm ve termodinamiği hesaplandı.
Sonuçlar tüm hidrojellerin üzerinde civa iyonların tutunmalarının yalancı-ikincidereceden
kinetiği takip ettiğini ve Langmuir adsorpsiyon izotermiyle civa
adsorpsiyonun (qmax) en yüksek değerinin kompozit hidrojeli ile en düşük değerinin
pululan bazlı hidrojelle olduğu belirlenmiştir. Serbest enerji değişimi (ΔGº) negatif
ve entalpi değişimi (ΔHº) pozitif değeri adsorpsiyon işleminin kendiliğinden ve
endotermik olduğunu göstermektedir. Son olarak, üç kez adsorpsiyon / desorpsiyon döngüsü ile civa iyonları desorpsiyon
yoluyla hidrojellerin yenilenmesi yeteneği incelenmiştir. Bu da, civa iyonları için
adsorpsiyon kapasitesinin göz ardı edilebilir kayıp değerinde olması nedeniyle tekrar
tekrar kullanılabilmesi özelliğini ortaya çıkarmakta ve hidrojelin pratik uygulama
için nitelikli olduğu sonucuna varılabilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Selüloz, kitosan, pullulan, hidroksiapatat, hidrojel, poroz
hidrojel, kompozit hidrojel, su iyleştirme, civa
