Polistiren Sülfonat Saçaklı Mikro Kürelerin Elde Edilmesi Ve İyon Değiştirici Olarak Kullanımı

Abstract

Su temizlenmesinde iyon değiştirici reçinelerin kullanımı alışılmış ve yaygın bir yöntem haline gelmiştir. Örneğin kuvvetli asit-katyon değiştirici olarak bilinen sülfonik asit fonksiyonlu ticari PS-DVB reçineleri katı asit katalizi olarak pek çok kimyasal proseste uygulama alanı bulmuştur. Bunlardan bazıları alkollerin olefin veya eterleri verecek şekilde dehidrasyonu, fenollerin alkillenmesi, alkollerin olefinlere katılması, bis fenol-A nın aseton ve fenolden itibaren sentezlenmesidir. Bu çalışmada alışılagelmiş sülfonapolistiren yerine yeni nesil iyon değişirici olarak tanımlanabilicek olan Sülfonlanmış lineer polistiren saçaklı P(S-DVB) mikrokürelerinin üretimi ve iyon değiştirme özellikleri konu edilmiştir. Bu tez kapsamında bromoasetil grupları taşıyan P(S-DVB) mikrokürelerinin (210-420 µm) yüzeyinde, bromoasetil grupları üzerinden yüzeyden başlayan ATRP metoduyla stiren saçakları oluşturulmuştur, ardından sülfolama yapılarak iki farklı zincir uzunluğu taşıyan sülfonlanmış lineer saçaklı polimerik reçineler hazırlanmıştır. Polistiren aşılarıyla küre çekirdeği arasında hidrolize olmayan bağlar oluşturmak için asetoksimerkurasyon metoduyla oluşturulan bromoasetil grupları, atom transfer radikal polimerizasyonu(ATRP) başlatma noktaları olarak kullanılmıştır. Her basamakta elde edilen ürünler standart analitik tekniklerle; FT-IR ve Taramalı elektron mikroskopu (Scanning electron microscope SEM) teknikleri ile karakterize edilmiştir. Sentezlenen ürünlerin iyon değiştirme özellikleri (kapasite, kinetik ve rejenerasyon davranışları), reçinelerin sodyum formu kullanılarak Ca (II), Mg (II), Mn(II), Ni(II) ve Cu(II) iyonlarının değişimlerinde denenmiş ve geleneksel sülfone iyon değiştirici reçine ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmalar göstermiştir ki, elde edilen yeni malzemeler aşı saçaklarının kısmi hareketliliğinden dolayı yarı-homojen reaksiyon koşullarını sağladığı için 1 dakikadan az bir sürede iyon değişim dengelerine ulaşmaktadır. Yüklenen metal iyonlarının oda sıcaklığında sulu NaCl çözeltisinin etkisiyle reçineden hemen tamamiyle geri çıkarılabildikleri gösterilmiştir. Burada yüzeydeki ATRP başlatıcı grupların yoğunluğunun ve graft zincir uzunluklarının ayarlanabilir olması, bu çalışmada ortaya konan yaklaşımla istenen kapasitede iyon değiştirici reçinelerin elde edilmesini mümkün hale getirmiştir. Bu özelliklerinden dolayı bu çalışmada sentezlenen malzemeler yeni nesil iyon değiştiriciler olarak adlandırılabilir.

Utilization of ion exchange resins have been one of the traditional arts in water processing. Commercial sulfonic acid functional PS-DVB resins, so called “strong-acid cation-exchange resins” have found extensive use as solid acid catalysts in many chemical processes, such as dehydration of alcohols to olefins or ethers, alkylation of phenols, addition of alcohols to olefines, production of bisphenol-A from phenol and acetone and so on. In the present work, we describe generation of sulfonated linear polystyrene brushes on PS-DVB microspheres as alternative to conventional ion exchange resins and their use as ion exchanger. In this thesis two resin materials bearing different chain lengths of sulfonated linear polystyrene brushes were prepared by surface initiated ATRP of styrene from bromoacetyl groups on (PS-DVB) micro beads (210-420 μm) and followed sulfonation. Bromoacetyl groups (0.81 mmolg-1) incorporated via acetoxymercuration route were employed as ATRP initiating sites to create non-hydrolysable linkages between the PS graft chains and the bead core. The standard analytical methods, FT-IR and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques were used for characterization of the materials in each step. Ion exchange characteristics (capacity, kinetics and regeneration behaviors) of the resulting materials in sodium forms were investigated in exchange with Ca (II), Mg (II), Mn(II), Cu(II) and Ni(II) ions in water and compared with those of traditional sulfonate functional ion exchanger. Those experiments revealed that, the equilibrium exchange capacities (1.5-3.8 mol per mole of sufonate group) are attained within less than 1 min, due to partial mobility of the expanded graft chains providing quasi-homogenous reaction conditions. The metal ions loaded were demonstrated to release almost quantitatively by action with aqueous NaCl solutions at room temperature. Since surface density of the initiating sites and chain lengths of the graft polymer are adjustible by ATRP, the present approach allows prepration of ion exchangers with desired capacities. Regarding those peculiarities the materials presented can be considered as new generation of the ion exchangers.