Investigation of thorium adsorption with multi-walled carbon nanotubes

Günümüzde giderek artan enerji krizi ile birlikte nükleer güç önem kazanmaktadır. Bu nedenle uranyum ve toryum nükleer yakıt olarak dikkat çekmektedir. Yerkabuğunda toryumun uranyumdan daha fazla bulunması nedeniyle toryum yakıt çevrimine dayalı reaktör türleri gelişme aşamasındadır. Yüksek yanma oranı, radyasyon ve kimyasal kararlılığı, uranyuma göre daha yüksek termal iletkenliği, düşük fabrikasyon giderleri, minör aktinitlerin ve plütonyumun daha az üretimi toryumu nükleer yakıt olarak avantajlı bir duruma getirmektedir. Ayrıca, dünya toryum rezervinin önemli bir kısmı (380 000 ton ThO2) ülkemizde Eskişehir Sivrihisar'da bulunmaktadır. Bu nedenle toryum ile yapılan çalışmalar önem kazanmaktadır. Toryum yakıt çevrimi kullanıldığında oluşan radyoaktif atıklardan toryumun ayrılması toksisitesi ve uzun yarı ömrü nedeniyle önemlidir. Dolayısıyla, toryumun radyoaktif sıvı atıklardan uzaklaştırılması için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bu yöntemler arasında, sıvı-sıvı ekstraksiyonu, iyon değişimi, çöktürme ve adsorpsiyon sayılabilir. Adsorpsiyonun önemi ise, büyük hacimli çözeltilerden iz miktardaki elementlerin ayrılabilmesidir. Adsorpsiyon uygulamalarında birçok adsorban türü (biyosorbentler, sentetik sorbentler, aktif karbon, kompozit materyaller, elyaf türleri, kil, zeolit vb.) kullanılmaktadır. Karbon nanotüpler, ilk olarak 1991 yılında Iijima tarafından keşfedildikten sonra birçok kullanım alanı bulmuştur. Adsorpsiyon da bunlardan bir tanesidir. Karbon nanotüpler; poröz yapıları, geniş yüzey alanları, düşük yoğunluk, yüksek mekanik, termal ve kimyasal kararlılıkları nedeniyle sulu çözeltilerden metal iyonlarının adsorpsiyonu için çok büyük bir potansiyele sahiptir. Bu nedenle, nükleer atık gideriminde karbon nanotüplerin kullanılmasına yönelik çalışmalar önem kazanmaktadır. Bu çalışmanın amacı, nükleer atık yönetiminde çok duvarlı karbon nanotüplerin efektif bir adsorban olarak kullanılabilirliğinin incelenmesi ve ayrıca toryumu atık çözeltilerden geri kazanmak üzere çok duvarlı karbon nanotüpler ile adsorpsiyonunun incelenerek optimum koşulların belirlenmesidir. Çalışmada adsorban olarak kullanılan çok duvarlı karbon nanotüplerin HNO3 ile yüzey modifikasyonu yapılmış ve toryum adsorpsiyonuna etki eden parametreler (pH, başlangıç toryum konsantrasyonu, sıcaklık ve çalkalama süresi) incelenmiştir. Çalışmada, geleneksel olarak kullanılan her bir değişkenin ayrı ayrı incelenmesi yerine "deneysel tasarım" metodu kullanılmıştır ve toryum adsorpsiyonu için optimum koşullar pH 4, başlangıç toryum konsantrasyonu 100 mg.L-1, sıcaklık 25oC ve çalkalama süresi 15 dakika olarak saptanmıştır. Bu koşullarda gerçekleştirilen 10 ayrı deneme sonucunda optimum alım kapasitesi 65,75 mg.g-1 olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon izotermleri (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) incelenmiş, en yüksek R2 değeri (R2=0,95) Freundlich izoterminde elde edilmiştir. Termodinamik özellikler (standart entalpi değişimi, standart entropi değişimi, Gibbs standart serbest enerji değişimi) incelendiğinde prosesin endotermik karakterli ve istemli gerçekleştiği bulunmuştur. Psuedo ikinci dereceden hız denkleminin toryumun çok duvarlı karbon nanotüpler üzerine adsorpsiyonuna uygun olduğu belirlenmiştir.In this day and time, nuclear power is becoming increasingly important with the growing energy crisis. Therefore, uranium and thorium draw attention as nuclear fuel. Reactor types that based on the thorium fuel cycle are under development due to the presence of thorium in the earth's crust more than uranium. High combustion rate, radiation and chemical stability, higher thermal conductivity than uranium, less production of minor actinides and plutonium and low fabrication costs properties of thorium makes up it as nuclear fuel in an advantageous situation. In addition, a significant proportion of world reserves of thorium (380000 tonnes ThO2) is located in Eskisehir in Turkey. Hence, researches done with thorium gain importance. Thorium removal from radioactive wastes, that occur when thorium fuel cycle is used, is important because of toxicity and long half-life of it. Therefore, various methods are applied for removal of thorium from liquid wastes, such as liquid-liquid extraction, ion exchange, precipitation and adsorption. Among of these, the importance of adsorption is the separation of the elements in trace amounts from a large volume of solution. Many types of adsorbents (biosorbents, synthetic sorbents, activated carbon, composite materials, fiber types, clay, zeolite etc.) are used in adsorption applications. Carbon nanotubes have found many usage areas after the discovery in 1991 by Iijima. Carbon nanotubes have great potential for the adsorption of metal ions from aqueous solutions because of their porous structure, large surface area, low density, high mechanical, thermal and chemical stability. For these reasons, researches done related to the usage of carbon nanotubes as an adsorbent material become important. The scope of this study is to examine the utility of multi-walled carbon nanotubes as an effective adsorbent in nuclear waste management and to determine optimum conditions by examining the adsorption of multi-walled carbon nanotubes to recover from thorium waste solutions. In this study, carbon nanotubes used as adsorbent, which modified with HNO3 , and parameters affecting the adsorption of thorium (pH, initial thorium concentration, temperature and contact time) were examined. Furthermore, instead of individually observing each variable, "experimental design" technique was used and optimum conditions for thorium adsorption were determined as pH 4, initial thorium concentration 100 mg.L-1, temperature 25oC, shaking time 15 minute. Optimum uptake capacity was calculated to be 65.75 mg.g-1 in 10 different tests performed under these conditions. Adsorption isotherms (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) were investigated and the highest R2 value (R2 = 0.95) was obtained at the Freundlich isotherm. When the thermodynamic properties (standard enthalpy change, standard entropy change, Gibbs standard free energy change) were examined, it was found that the process was endothermic and voluntary. It has been determined that the pseudo second-order velocity equation is suitable for adsorption of thionium on multi-walled carbon nanotubes