8-hidroksikinolin içeren polimer içerikli membranların karakterizasyonu ve metal tutunumu

Çevre kirliliği, insan sağlığına olumsuz etkilemesinin yanı sıra bir ülkenin ekonomisine de olumsuz etki etmektedir. Özellikle temiz suya ihtiyaç nüfus artışı ve sanayi üretimine bağlı olarak giderek artmaktadır. Son zamanlardaki iklimsel düzensizlikler de, temiz su kaynaklarına olan ihtiyacı ve bunun önemini daha da arttırmaktadır. Sulardaki metal iyonları varlığı çevre kirliliğine sebep olan en önemli nedenlerdendir. Endüstriyel atıksuların içerisindeki metaller en büyük kirletici kaynaklarıdır. Atıksuların çevreye atılmadan önce deşarj edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla kullanılan adsorpsiyon işlemi etkili, ucuz, kolay uygulanabilir bir yöntemdir. Membran teknolojileri arasında son yıllarda polimer içerikli membranlar (PIMs) dikkat çekici uygulamalara sahiptir. Bu çalışmada polimerik membranlar kullanılmıştır. Polivinil klorür (PVC), yaygın olarak kullanılan bir sentetik plastik polimerdir. Klor ve etilenin polimerizasyonu ile elde edilir. Mekanik ve kimyasal dayanıklılığı yüksek, iyi bir elektrik yalıtkanıdır. Ayrıca uygun maliyetli, uzun ömürlü ve geri dönüştürülebilir olmasıyla cazip hale gelmiştir. PVC, kullanım alanlarının genişliği ve dayanıklılığı nedeniyle modern sanayide ve günlük yaşamda vazgeçilmez bir malzeme olmuştur. PVC'ye polimer içerikli membran hazırlanırken, plastikleştirici ilave edilerek daha yumuşak bir malzeme elde edilir. Adsorpsiyon sıvı ya da gaz fazındaki bileşenlerin katı bir yüzeye tutulmasıdır. Metallerin ayrıştırılmasında polimerik membran proseslerinde kullanımı gelişmiştir. Polimerik membranlar, çeşitli uygulamalar için tasarlanmış ince film yapılardır. Bu membranlar, yüksek seçicilik ve geçirgenlik özellikleri sayesinde adsorpsiyon süreçlerinde etkin bir şekilde kullanılır. Gözenekli yapıları ve kimyasal özellikleri nedeniyle adsorban materyal olarak işlev görürler. Geniş yüzey alanları ve gözenek boyutları ve dağılımları sayesinde belirli moleküllerin seçici olarak adsorbe edilmesini sağlar. Adsorpsiyon süreçlerinde önemli avantajlar sunan etkili materyallerdir. Yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir gözeneklilik, kimyasal dayanıklılık ve mekanik esneklik gibi özellikleri sayesinde çeşitli endüstriyel ve çevresel uygulamalarda kullanılmaktadır. Su ve atıksu arıtımında, ağır metallerin ayrıştırılmasında geniş kullanım alanları mevcuttur. Polimer destek, polivinil klorür (PVC), çözücü tetrahidrofuran (THF) ve plastikleştirici olarak 2-nitrofenil-pentil eter (2-NPPE) kullanılarak çözelti döküm yöntemiyle membranlar hazırlanmıştır. Çalışmada, polimerik bir membranda şelatlama ajanı olan 8-Hidroksikinolin, sulu çözeltilerden metalleri etkili bir şekilde uzaklaştırmak amacıyla kullanılmıştır. 8-Hidroksikinolin, 8HQ olarak da bilinir, lipofilik etkiye sahip düzlemsel, küçük bir moleküldür. Ahşap, kağıt ve tekstil endüstrilerinde ürünlerin koruması için ve metal ekstraksiyonunda kemosensörler gibi birçok uygulamaya sahip çok yönlü bir kinolin türevidir. Ayrıca tarımda pestisit, böcek ilacı ve mantar ilacı olarak da faydalıdırlar. Dikkat çekici koordinasyon yeteneği ve metal tanıma özellikleri nedeniyle 8HQ, analitik ve ayırma amaçları için temel bir araçtır. 8HQ ve türevleri (HQ' lar), N ve O-donör ligand kümelerinden geçiş elementi şelatlama ajanlarının temel bir sınıfı olarak kabul edilir ve tüm metal iyonları için yüksek oranda ekstrakte edilebilirlik gösterir. Bu çalışmada, 8-HQ içeren membranlarla, sulu çözeltilerdeki metaller etkili bir şekilde tutulmuştur. Analizler için dört metal katyonunun 100 mg/L konsantrasyonda pH'sı 4, 5 ve 6 olan sulu çözeltileri hazırlanmıştır. Çözeltinin pH' ı sodyum asetat tampon çözeltisi ile ayarlanmıştır. Cu, Zn, Co ve Ni iyonlarının polimerik bir membran üzerine adsorpsiyonunu ölçmek için İndüktif Eşleşmiş Plazma Atomik Emisyon Spektroskopisi (ICP-OES) kullanıldı. Cu, Ni, Co ve Zn iyonları, polimer içerikli membran üzerine adsorpsiyon yoluyla sulu çözeltiden uzaklaştırılmıştır. Bu metaller arasında 8- Hidroksikinolin, en iyi adsorpsiyonunu nikel metalinde göstermiştir. Membranın karakterizasyonu FTIR, XRD, SEM ve SEM-EDS analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Metal adsorpsiyonu öncesi ve sonrasında membranların analizleri ve yüzey morfolojileri açısından karakterize edilmiştir. Membranın adsorpsiyon öncesi ve sonrasında amorf bir yapıya sahip olduğu ve yapısının değişmediği XRD analizi sonucunda belirlenmiştir. Membranın adsorpsiyon öncesinde SEM-EDS görüntüsünde membran içeriğinde karbon, oksijen ve klor dışında başka bir iyon bulunmadığı görülmektedir. Membranın adsorpsiyonu sonrasında ise SEM-EDS görüntülerinde metal varlığı tespit edilmiştir. Membranın yüzey morfolojisi adsorpsiyon sonrası gözenek yapısı düzensizleşmiştir ve yüzey pürüzsüzlüğü azalmıştır. Adsorpsiyon sonrasındaki SEM görüntüleri membranın yüzey morfolojisinin belirgin şekilde etkilediğini göstermektedir. Membranların termal özelliğini incelemek için diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) kullanıldı. Ölçümler (DSC, NETZSCH marka) ile Al tavada, delikli kapakta, N2 atmosferinde, dakikada 10 °C tarama hızıyla, 25–500 °C sıcaklık aralığında gerçekleştirildi. Sonuçlar kayıt altına alınarak analiz edilmiştir. Ölçümler Sakarya Üniversitesi Araştırma Geliştirme Uygulama ve Araştırma Merkezi'nden (SARGEM) hizmet alımı şeklinde yapılmıştır. 2 ± 0,2 mg kesilmiş numuneler, 100 ml/dak akış hızına sahip bir azot (N2) atmosferinde bir alüminyum tavada test edildi. Numuneler, disklerin termal geçmişini gidermek için başlangıçta 10°C/dak hızında 400/500°C'ye ısıtıldı ve ardından aynı hızda 40°C'ye soğutuldu. Daha sonra, numuneler aynı artış hızında 400/500°C'ye yeniden ısıtıldı. Termal analiz sonuçlarından TG'den saf PVC için üç ağırlık kaybı gözlemlenmiştir. HQ içeren membranın TG eğrisinde gözlemlenen 39 ila 218°C aralığındaki sıcaklıktaki kütle kaybı, hem adsorbe edilen suyun hem de 8-HQ moleküllerinin kaybına atfedilmektedir. TG Eğrisi, sentetik bir azot atmosferinde iki kütle kaybı adımı gösterir. DSC analizi sonuçlarına göre saf PVC membranda biri 390 °C'de diğeri 456 °C'de olmak üzere iki yanma reaksiyonu meydana gelmektedir. HQ içeren membranın DSC eğrisinde ise, endotermik ve ekzotermik (yanma) zirveleri görülmektedir. Elde edilen membranların aside ve baza karşı dayanıklılığı incelemek için; 0,1 M HCl, 0,1 M NaOH ve 0,1 M NH3 çözeltilerinde bir hafta bekletildi. Süre sonunda herhangi bir parçalanma –yıpranma ve renk değişimi görülmedi. Sonuç olarak polimerik membran ve 8-hidrosikinolin kombinasyonu sulu çözeltilerden metal iyonlarının uzaklaştırılmasında etkili bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Adsorpsiyon ve polimerik membranların entegrasyonu, gelecekteki temiz teknolojiler ve sürdürülebilir çözümler için önemli bir araştırma alanı olmaya devam edecektir.