Synthesis and characterization of magnetic poly(divinyl benzene-N-vinyl imidazole) [m-poly(DVB-VIM)] microbeads and investigation of physicochemical parameters of heavy metal ions adsorption from aqueous solutions

Sunulan çalışmada; manyetik poli(divinil benzen-N-vinil imidazol) [m-poli(DVB-VIM)] mikroküreleri Fe3O4 nanopartikül varlığında süspansiyon polimerizasyonu yöntemiyle sentezlenerek ağır metal iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanıldı. m-poli(DVB-VIM) mikroküreleri elementel analiz, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon izoterm testi, şişme testi, yoğunluk ölçümleri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve manyetizma ölçümleri ile karakterize edildi. m-poli(DVB-VIM) mikrokürelerinin spesifik yüzey alanı 29.47 m2/g, boyut dağılımı 53-212 µm, şişme oranı %44 ve ortalama Fe3O4 içeriği %10,2 olarak belirlendi. Mikrokürelerin yapısındaki VIM miktarı 3,021 mmol/g polimer olarak bulundu. Bu durum m-poli(DVB-VIM) mikrokürelerinin manyetik olduğunu ve N-vinil imidazol ligantının polimerik yapıya girdiğini göstermektedir.Elde edilen mikrokürelerin ağır metal iyonları uzaklaştırılmasında kullanılabilirliğini araştırmak için; Cr(VI), Ni(II), Zn(II), Pb(II) ve Cu(II) iyonları örnek iyon olarak kullanıldı. Mikrokürelerin adsorpsiyon kapasitesi üzerinde etkili parametrelerden pH, başlangıç ağır metal iyonu konsantrasyonu, sıcaklık, zaman ve adsorban miktarı etkisi incelendi. Maksimum uzaklaştırma Cr(VI) iyonları için pH 2,0'de; Cu(II) iyonları için pH 5,0'te; Zn(II), Ni(II) ve Pb(II) iyonları için pH 6,0'da gözlendi. Sıcaklığın adsorpsiyona etkisi incelendi ve sıcaklığın 4oC'den 65oC'ye çıkarılmasıyla ağır metal iyonları adsorpsiyonunun arttığı gözlendi.m-poli(DVB-VIM) mikrokürelerinin 100 ppm konsantrasyonda ve 65oC'deki adsorpsiyon kapasitesi Cu(II), Cr(VI), Pb(II), Ni(II) ve Zn(II) iyonları için sırasıyla 52,90 mg/g, 46,85 mg/g, 45,01 mg/g, 23,07 mg/g ve 22,39 mg/g olarak belirlendi. Bu durum sulu çözeltilerden ağır metal iyonlarını uzaklaştırılmasında m-poli(DVB-VIM) mikrokürelerinin etkili olduğunu göstermektedir. Kütle bazında ilgi sırası Cu(II) > Cr(VI) > Pb(II) > Ni(II) > Zn(II) şeklindedir. Adsorpsiyon kinetikleri incelenerek mevcut sistem için 4, 25, 45 ve 65oC'de Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon izotermlerine uygulanabilirlik test edildi. Denge verileri Langmuir modeline uygun bulundu. Ayrıca yalancı (pseudo) 1. derece, yalancı (pseudo) 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 belirlendi. Bu çalışmada adsorpsiyon sürecinin endotermik olduğu ve kendiliğinden gerçekleştiği belirlendi. Manyetik mikrokürelerin rejenerasyonu Cu(II), Pb(II), Ni(II) ve Zn(II) için 0,1 M HNO3; Cr(VI) için 1 M NaOH kullanılarak gerçekleştirildi. Aynı manyetik mikroküreler kullanılarak adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsü 10 kez tekrarlandı ve ağır metal iyon kapasitesinde önemli bir değişim gözlenmedi.In present study, magnetic poly(divinyl benzene-N-vinyl imidazole) [m-poly(DVB-VIM)] microbeads were synthesized by suspension polymerization technique in the presence of magnetite Fe3O4 nano-powder and used for heavy metal ions removal studies. m-poly(DVB-VIM) microbeads were characterized by elemental analysis, N2 adsorption-desorption isotherm tests, swelling studies, density measurements, scanning electron microscope (SEM) and magnetism measurements. The specific surface area of the m-poly(DVB-VIM) beads was found to be 29.47 m2/g with a size range of 53-212 µm in diameter and the swelling ratio was 44%. The average Fe3O4 content of the resulting m-poly(DVB-VIM) microbeads was 10,2%. The incorporation of the VIM was found 3,021 mmol/g polymer. It was determined that m-poly(DVB-VIM) microbeads are magnetic and the ligand N-vinyl imidazole was inserted into the polymer structure.Cr(VI), Ni(II), Zn(II), Pb(II) and Cu(II) ions were used as model species to investigate the usability of the obtained microspheres in heavy metal removal. Effects of pH, initial heavy metal ions concentration, temperature, contact time and adsorbent dosage 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; Zn(II), Ni(II) and Pb(II) ions at pH 6,0. The effect of temperature on the adsorption was studied and the adsorption of heavy metal ions was increased with the rise in temperature from 4 to 65oC.The adsorption capacities of the m-poly(DVB-VIM) beads for Cu(II), Cr(VI), Pb(II), Ni(II) and Zn(II) were found 52,90 mg/g, 46,85 mg/g, 45,01 mg/g, 23,07 mg/g and 22,39 mg/g, respectively at 100 ppm and 65oC. In other words m-poly(DVB-VIM) beads were found to efficiently remove heavy metal ions from aqueous solutions. The affinity order on mass basis is Cu(II) > Cr(VI) > Pb(II) > Ni(II) > Zn(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. Equilibrium data agreed well with the Langmuir model. Also pseudo-first-order, pseudo-second order and intraparticle diffusion models were used to describe the adsorption kinetics. The study of temperature effect was quantified by calculating various thermodynamic parameters such as Gibbs free energy, enthalpy and entropy changes. In this study, adsorption process was endothermic in nature and spontaneous. Regeneration of the magnetic microbeads was easily performed with 0,1 M HNO3 for Cu(II), Pb(II), Ni(II) and Zn(II); 1 M NaOH for Cr(VI). Adsorption-desorption cycles were be performed ten-times by using same magnetic microbeads and any noticeable loss was not determined