Preparation and characterization of Al-, Fe- and Zr- pillared clays and their applications

Abstract

Alüminyum, demir, zirkonyum-sütunlu killeri Montmorillonit KSF ve K10 kullanılarak hazırlandı ve poli(akrilik asit/ Alüminyum ve Zirkonyum sütunlu killeri) süperabsorplayıcı kompozitlerde inorganik dolgu maddesi olarak kullanıldı. Sütunlu killer ve süperabsorplayıcılar XRD, FTIR, gaz adsorpsiyon analizi, SEM ve TGA ile karakterize edildi. Sütunlama işlemi d001 bazal aralıkta büyük bir artışla sonuçlandı. BET yüzey alanı analizleri sütunlu killerin yüzey alanlarının arttığını gösterdi. Süperabsorplayıcıların pH'a bağımlı ve tersinir şişme özelliğine sahip oldukları yapılan şişme deneyleri ile anlaşıldı. Süperabsorplayıcıdaki Zr-KSF'nin miktarı artmasıyla şişme oranında düşme gözlenmektedir. Al-K10 tabanlı süperabsorplayıcının Al-KSF tabanlı süperabsorplayıcıya göre daha çok çapraz bağlanma yaptığı daha az şişme özelliği göstermesinden anlaşılmaktadır. XRD sonuçları kilin tabakalarının kompozit içinde dağıldığını ortaya çıkarmıştır. FTIR analizleri, O-Si-O tetrahedral gerilmedeki ve OH bandlarındaki kaymaların akrilik yapı ile sütunlu kil arasında ester oluşumunu desteklediğini göstermektedir. Bunlara ek olarak, bu çalışma alüminyum- sütunlanmış-tabakalı K10 ve KSF montmorillonitlerin (Al-PILC'ler), Trimetoprimin (TMP) sulu çözeltiden uzaklaştırılmasında etkinliğini araştırmıştır. TMP'nin uzaklaştırılma yüzdesi büyük oranda pH'a bağlıdır. TMP ve adsorplayıcı yüzeyinin her ikisinin de asidik pH değerlerinde pozitif yük taşıması, Al-PILC'lerin yüzeylerine TMP'nin daha zayıf tutunmasını açıklayabilmektedir. Al-K10, Al-KSF ile kıyaslandığında daha düşük adsorplayıcı miktarında daha yüksek TMP'i uzaklaştırma kapasitesi göstermektedir. TMP'nin Al-KSF üzerine olan adsorpsiyonu sıcaklık artarken, Al-K10 üzerine olan ise sıcaklık düşerken artmaktadır. Dubinin-Radushkevich izoterm denkleminden, Al-KSF ve Al-K10 üzerine olan adsorpsiyon sırasıyla iyon-değişimi ve fiziksel adsorpsiyonla açıklanabilir. Standart entalpi değeri adsorpsiyonun endotermik olduğunu gösterirken standart entropi değeri de düzensizliğin adsorpsiyon sırasında arttığını belirtmektedir. Al-PILC'ler atık su arıtma tesislerinden TMP'nin uzaklaştırılmasında potansiyel yararlı bir adsorplayıcı ve süperabsorlayıcı kompozitlerin sentezinde ise iyi bir inorganik dolgu maddesi olduğunu sonuçlar göstermektedir. Aluminum, iron, zirconium - pillared clays were prepared by using Montmorillonite KSF and K10 and used as inorganic fillers for synthesis poly(acrylic acid/ Aluminum and zirconium pillared clays) superabsorbent composites. Pillared clays and Al- KSF, Al-K10 and Zr-KSF based superabsorbents were characterized by XRD, FTIR, gas adsorption analysis, SEM and TGA. Pillaring process resulted in a strong increase in the d001 basal spacing. BET surface area analyses indicated that the surfaces areas of pillared clays were increased. The superabsorbents showed pH dependent and reversible swelling behaviors. Decreasing of swelling ratio was observed by increasing the content of Zr-KSF on the superabsorbent. The more crosslinking ratio of Al-K10 based superabsorbents was understood from less swelling character than Al-KSF based superabsorbents. XRD revealed that the layers of clay dispersed on the composite. FTIR analyses indicated that the shifts of stretching vibrations of O-Si-O tetrahedra and OH bands supported ester formation between acrylic network and pillared clay. Additionally, the efficiency of aluminum-pillared-layered K10 and KSF montmorillonites (Al-PILCs) for the removal of Trimethoprim (TMP) was investigated. The removal percentage was highly depended on pH. TMP and the adsorbent surface, both carrying positive charges at acidic pH values may explain the poor adsorption. Al-K10 exhibits higher removal capacity of TMP at lower adsorbent dosages in comparison with Al-KSF. Adsorption is increased by increasing temperature onto Al-KSF and increased by decreasing temperature onto Al-K10. From Dubinin-Radushkevich isotherm equation, the adsorption onto Al-KSF and Al-K10 can be explained by ion-exchange mechanism and physical adsorption type, respectively. Standard enthalpy value of the sorption indicates that adsorption is endothermic while the standard entropy suggests that randomness increases during adsorption. The results showed that Al-PILCs are potential useful adsorbents for the removal of TMP from wastewater treatment plants and fine inorganic fillers for synthesis of superabsorbent composites.