Manyetik katı faz ekstraksiyon metodu kullanılarak altının adsorpsiyonu ve ICP-OES ile belirlenmesi

Altın (Au), tarih boyunca yalnızca süs eşyası ve ekonomik bir değer unsuru olarak değil, aynı zamanda sosyal güç, refah ve otoritenin simgesi olarak da önemli bir yere sahip olmuştur. Fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından üstün olan bu değerli metal, özellikle yüksek elektriksel iletkenliği, kimyasal inertliği, korozyona karşı dayanıklılığı ve nadir bulunurluğu nedeniyle çeşitli endüstriyel uygulamalarda geniş bir kullanım alanına sahiptir. Mikroelektronikten biyomedikal cihazlara, uzay ve havacılık teknolojilerinden katalizöre kadar pek çok alanda stratejik öneme sahip olan altın, gelişen teknolojiyle birlikte daha kritik hale gelmektedir. Bununla birlikte, doğal kaynakların giderek tükenmesi, altının geri kazanımı konusunu günümüzde önemli bir araştırma konusu haline getirmiştir. Özellikle elektronik atıklarda ve düşük konsantrasyonlu sulu ortamlarda biriken altının çevre dostu, ekonomik ve etkili yöntemlerle geri kazanımı hem çevresel sürdürülebilirlik hem de ekonomik değer açısından büyük bir önem taşımaktadır. Geleneksel altın geri kazanım yöntemlerinin büyük çoğunluğu siyanür bazlı işlemlere dayanmaktadır. Siyanür, yüksek çözünürlük sağlayarak altının liç edilmesinde etkili olsa da son derece toksik ve çevreye zarar verici bir kimyasaldır. Bu nedenle, siyanür yerine kullanılabilecek, çevre dostu ve düşük toksisiteye sahip alternatif çözücü sistemlerinin geliştirilmesi bilimsel araştırmaların odak noktası haline gelmiştir. Bu doğrultuda geliştirilen yeni nesil adsorpsiyon teknikleri hem çevresel hem de ekonomik açıdan sürdürülebilir çözümler sunmaktadır. Adsorpsiyon, çözelti ortamında bulunan hedef iyonların veya moleküllerin bir katı yüzeyine fiziksel ya da kimyasal bağlarla tutunması sürecidir. Bu yöntem, geri kazanım ve çevresel arıtım alanlarında sıklıkla tercih edilen bir ayırma tekniğidir. Özellikle manyetik katı faz ekstraksiyonu (MSPE) gibi modern yöntemler, yüksek seçicilik, kısa işlem süresi, yeniden kullanılabilirlik ve kolay manyetik ayrılabilirlik gibi avantajlarıyla öne çıkmaktadır. MSPE yönteminde kullanılan manyetik nanoparçacıklar, yüzey modifikasyonları sayesinde hedef iyonlara karşı özel olarak tasarlanabilmekte ve bu sayede kompleks matrislerde dahi seçici ve verimli ayırma işlemleri gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmada, altın Au(III) iyonlarının sulu ortamlardan seçici bir şekilde ayrılması ve zenginleştirilmesi amacıyla, yüzeyi 3,5-diamino-1,2,4-triazol (DAT) ile fonksiyonelleştirilmiş yeni bir manyetik nanoparçacık sistemi (Fe3O4@SiO2@CPTES@DAT) geliştirilmiştir. DAT, yapısında bulundurduğu azot atomları sayesinde metal iyonlarına karşı yüksek afinite gösteren, suda çözünürlüğü iyi olan bir triazol türevidir. Nanoparçacık sentezinde ilk olarak Fe3O4 manyetik çekirdekleri birlikte çöktürme yöntemiyle hazırlanmış, ardından yüzeyleri tetraetilortosilikat (TEOS) aracılığıyla silika (SiO2) ile kaplanmıştır. Daha sonra, yüzeyin fonksiyonelleştirilmesi için 3-kloropropiltrietoksisilan (CPTES) uygulanmış ve son aşamada DAT molekülü yüzeye kimyasal olarak bağlanmıştır. Bu sentez süreci sonunda elde edilen Fe3O4@SiO2@CPTES@DAT nanoyapısı; yüksek yüzey alanı, özgül bağlanma bölgeleri ve süperparamanyetik özellikleri ile hem analitik hem de çevresel uygulamalarda kullanılabilecek etkili bir adsorban olarak değerlendirilmiştir. Sentezlenen nanoparçacıkların karakterizasyonu, nanomalzemenin morfolojik, yapısal ve kimyasal özelliklerini doğrulamak amacıyla çeşitli ileri analiz teknikleriyle gerçekleştirilmiştir. Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FESEM), nanoparçacıkların yüzey morfolojisini ve boyutlarını belirlemiş, parçacıkların küresel şekilli ve homojen dağılımlı olduğunu göstermiştir. Yüksek Çözünürlüklü Geçirimli Elektron Mikroskobu (HRTEM) ile kristal yapı ve daha ince yapısal detaylar gözlemlenmiş, partiküllerin yaklaşık 50–100 nm boyut aralığında olduğu doğrulanmıştır. Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (EDX) ile nanoparçacıkların yüzey kimyasal bileşimi analiz edilmiş ve yapıdaki Fe, Si, O, C ve N gibi elementlerin varlığı doğrulanmıştır. X-ışını Kırınımı (XRD) analizi ile Fe3O4 çekirdeğine ait karakteristik kristal yapılar belirlenmiş ve kaplama işlemleri sonrasında kristalin yapı korunmuştur. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) analizinde, silanol (-Si-OH), amino (-NH2) ve triazol halkasına ait karakteristik bantlar tespit edilerek yüzey fonksiyonelleştirmesinin başarılı olduğu gösterilmiştir. Son olarak, Termogravimetrik Analiz (TGA) yardımıyla, kaplama ve işlevsel grupların miktarı ile ısıl kararlılık değerlendirilmiş ve elde edilen nanoyapının termal dayanımı yüksek bulunmuştur. Bu karakterizasyon verileri, sentezlenen Fe3O4@SiO2@CPTES@DAT yapısının istenilen özellikleri taşıdığını ve altın iyonlarının adsorpsiyonu için uygun bir aday olduğunu ortaya koymuştur. Deneysel çalışmalar kapsamında, altın adsorpsiyonuna etki eden parametreler sistematik olarak optimize edilmiştir. Yapılan tek değişkenli analizlerde; çözeltinin pH değeri, adsorban miktarı, temas süresi ve desorpsiyon şartları gibi faktörler ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Bu kapsamda yürütülen deneyler, yalnızca optimum koşulların belirlenmesini değil, aynı zamanda geliştirilen sistemin çevresel ve analitik uygulamalara yönelik potansiyelinin derinlemesine anlaşılmasını sağlamıştır. Optimum adsorpsiyon koşulları pH 2, 10 mg adsorban miktarı ve 20 dakika temas süresi olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda elde edilen yüksek verim, triazol grubunun Au(III) iyonlarına karşı gösterdiği güçlü afiniteyi destekler niteliktedir. Özellikle düşük pH'ta gözlemlenen bu güçlü adsorpsiyon kapasitesi, sistemin kinetik hız açısından da avantajlı olduğunu ortaya koymaktadır. Kısa sürede yüksek verimle çalışabilen sistemler, özellikle çevresel uygulamalar açısından büyük bir avantaj sağlamaktadır. Ayrıca, kullanılan adsorban miktarının düşük tutulmasına rağmen yüksek adsorpsiyon performansı elde edilmesi, yöntemin ekonomik uygulanabilirliğini ve operasyonel verimliliğini ön plana çıkarmaktadır. Desorpsiyon deneylerinde, %0,1 (w/v) tiyoüre içeren 1 M HCl çözeltisinin en yüksek verimi sağladığı, bu koşullarda Au(III) iyonlarının %95'in üzerinde başarıyla geri kazanıldığı tespit edilmiştir. Elde edilen bu yüksek geri kazanım oranı, sistemin yeniden kullanım potansiyelini ve sürdürülebilirliğini açıkça desteklemektedir. Yabancı iyonların etkisini değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilen seçicilik testlerinde; Cu²⁺, Zn²⁺ ve Fe²⁺ gibi yaygın girişim yapabilecek metal iyonlarının varlığında dahi, sentezlenen adsorbanın Au(III) iyonlarına karşı yüksek seçiciliğini koruduğu gözlemlenmiştir. Altın iyonlarının adsorpsiyon veriminde anlamlı bir azalma gözlenmemesi, geliştirilen nanoyapının çok bileşenli ve kompleks matrislerde dahi etkin şekilde çalışabildiğini göstermektedir. Bu bulgu, sistemin gerçek numunelerdeki potansiyel iyonik girişimlere karşı kararlı bir şekilde performans gösterebildiğini ve yöntemin analitik güvenilirliğini artırdığını ortaya koymaktadır. Adsorbanın adsorpsiyon özellikleri, farklı izoterm modelleri aracılığıyla detaylı biçimde incelenmiştir. Elde edilen deneysel verilerin Langmuir, Freundlich ve Temkin izoterm modellerine uygulanması sonucunda, en yüksek korelasyon katsayısının Freundlich modeline ait olduğu belirlenmiştir. Bu durum, adsorpsiyon sürecinin homojen olmayan yüzeylerde ve çok katmanlı yapı üzerinden gerçekleştiğine işaret etmektedir. Freundlich modeline gösterilen yüksek uyum, adsorban yüzeyinde farklı bağlanma enerjilerine sahip aktif merkezlerin mevcut olduğunu ve Au(III) iyonlarının bu yüzey bölgelerine kademeli olarak adsorplanabildiğini göstermektedir. Böylece, sentezlenen adsorbanın yüzey fonksiyonelliği ve morfolojik çeşitliliği sayesinde yüksek adsorpsiyon kapasitesi ve seçicilik sunduğunu teyit etmektedir. Kinetik modelleme kapsamında, yalancı birinci ve yalancı ikinci dereceden kinetik modeller uygulanmış ve deneysel verilerin yalancı ikinci dereceden kinetik modele yüksek derecede uyum sağladığı tespit edilmiştir. Bu sonuç, adsorpsiyon mekanizmasının kimyasal etkileşimler tarafından kontrol edildiğini ve hız belirleyici basamağın kimyasal reaksiyon olduğunu göstermektedir. Başka bir ifadeyle, Au(III) iyonlarının adsorban yüzeyi ile etkileşimi yalnızca fiziksel tutunma ile sınırlı kalmayıp, aynı zamanda güçlü kompleksleşme ve koordinasyon bağları aracılığıyla gerçekleşmektedir. Bu kimyasal etkileşimler, adsorbanın fonksiyonel gruplarının hedef iyonlarla spesifik koordinasyon bağları kurduğunu ve böylece sistemin yüksek seçicilik ve adsorpsiyon kapasitesi sergilediğini ortaya koymaktadır. Altının tayini, İndüktif Eşleşmiş Plazma – Optik Emisyon Spektroskopisi (ICP-OES) cihazı ile gerçekleştirilmiştir. ICP-OES, çoklu element tayin kapasitesi, düşük tespit limitleri, geniş dinamik aralığı ve hızlı analiz süresi gibi üstün analitik özellikleri sayesinde çevresel analizlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, ICP-OES cihazı ile gerçekleştirilen analizlerde, altın iyonlarının tayini için %2,51 bağıl standart sapma (RSD), 0,019 µg/L tespit limiti (LOD) ve 0,065 µg/L miktar tayin limiti (LOQ) elde edilmiştir. Elde edilen hassasiyet parametreleri, yöntemin eser konsantrasyonlardaki analizler için yüksek güvenilirlik ve uygunluk sağladığını açıkça ortaya koymaktadır. Ayrıca, düşük tespit limitleri sayesinde eser düzeyde bulunan altın iyonlarının doğru ve hassas şekilde tayin edilebildiği kanıtlanmıştır. Yöntemin gerçek çevresel örneklerle test edilmesi amacıyla yürütülen doğal numune uygulamaları kapsamında musluk suyu, göl suyu ve atık su örnekleri üzerinde testler yapılmış; örneklerin tümünde yüksek geri kazanım oranları elde edilmiş ve yöntemin matriks etkilerinden bağımsız olarak güvenilir sonuçlar verdiği doğrulanmıştır. Yöntemin hem laboratuvar hem de doğal numune koşullarında yüksek verimle uygulanabilir olması, pratik çevresel analizlerdeki geçerliliğini doğrulamaktadır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında geliştirilen Fe₃O₄@SiO₂@CPTES@DAT yapısındaki triazol fonksiyonlu manyetik adsorban, eser miktardaki Au(III) iyonlarının seçici adsorpsiyonu ve ICP-OES ile hassas tayini açısından son derece başarılı sonuçlar vermiştir. Karakterizasyon analizleri, elde edilen nanoyapının morfolojik ve kimyasal olarak istenilen özellikleri taşıdığını net biçimde ortaya koyarken; optimize edilen deneysel koşullar altında yüksek adsorpsiyon kapasitesi, kısa süreli temasla etkin geri kazanım, yüksek seçicilik ve düşük tespit limiti gibi önemli avantajlar elde edilmiştir. Ayrıca, yöntemin çevresel örneklerde yüksek geri kazanım oranlarıyla uygulanabilir olması, sistemin gerçek numunelerde de güvenilir ve sürdürülebilir bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Tüm bu veriler ışığında, geliştirilen bu adsorban sisteminin sadece altın değil, benzer yapıya sahip değerli veya toksik metal iyonlarının izlenmesi ve giderilmesinde de etkili bir alternatif sunabileceği değerlendirilmiştir.