PC88A içeren polimer içerikli membranların karakterizasyonu ve kristal viyole giderimi

Kristal viyole gibi katyonik boyar maddeler sulu ortamlarda ciddi çevresel ve biyolojik riskler oluşturmaktadır. Özellikle endüstriyel atıklardan kaynaklanan bu kirleticiler, su kaynaklarının doğal dengesini bozmakta, canlı yaşamını tehdit etmekte ve içme suyu güvenliğini riske atmaktadır. Kristal viyole, suda çözündüğünde ışık geçirgenliğini azaltarak fotosentetik organizmaların yaşam döngüsünü sekteye uğratmakta; bu da fotosentezin azalmasına, oksijen üretiminin düşmesine ve hipoksik koşulların gelişmesine yol açmaktadır. Aynı zamanda kristal viyolenin insan sağlığı üzerinde uzun vadeli etkileri deri ve göz iritasyonlarından, solunum yolu problemlerine ve hatta retinada hasara varabilen toksik etkileri içerebilmektedir. Bu nedenlerle bu tip kirleticilerin sudan etkin ve seçici bir şekilde uzaklaştırılması, sürdürülebilir su yönetimi ve çevresel koruma açısından büyük önem taşımaktadır. Kimyasal oksidasyon, fotokataliz, çöktürme, koagülasyon ve ultrafiltrasyon gibi yöntemler genellikle boya giderimi için kullanılan başlıca yöntemler arasındadır. Ancak bu işlemlerden sonra elde edilen su hâlâ ileri arıtma gerektirmektedir. Alternatif olarak, solvent ekstraksiyon, emülsiyon tipi sıvı membran (ELM), destekli sıvı membran (SLM) ve diğer ayırma teknolojileri, boya giderimi için uygulanmıştır. ELM de emülsiyonun kırılması ve şişmesi çalışma koşullarının optimize edilmesini zorlaştırır. Emülsiyon kararlılığı ELM ve SLM' lerin temel sorunudur. Bu sorunların olmadığı, pahalı ekstraktantların ve çözücü miktarının çok az kulanıldığı PIM'ler, çevre dostu ve ekonomik olması sebebiyle, polimer içerikli membranlarının (PIM'ler) uygulanmasına olan ilgiyi artırmıştır. PIM'leri diğer proseslerden ayıran en önemli özellik, organik taşıyıcıların polimer yapısı içerisinde dağılması ve böylece artan taşıma verimidir. Ayrıca, yüksek seçiciliği, basit uygulanabilirliği, düşük enerji tüketimi vb. nedeniyle hem hedef iyonlarının ayrılmasında hem de saflaştırılmasında büyük avantaj sağlamaktadır. Ayrıca, membranların tekrar kullanılabilirliği ve büyük yüzey alanı/hacim oranı, bu prosesin endüstriyel kullanımlarda diğer proseslere göre daha fazla kullanılmasını sağlayacak önemli bir özelliktir. Bu çalışmada, bis(2-etilheksil) fosforik asit (PC88A) ve tri butil fosfat (TBP) katkılı polimerik membranlar geliştirilerek, kristal viyole boyasının sulu çözeltilerden uzaklaştırılmasına giderimleri detaylı biçimde incelenmiştir. Literatürdeki PC88A'nın kullanımı genellikle hidrometalurjik uygulamalar ve solvent ekstraksiyon sistemleri ile sınırlı kalmıştır. Bununla birlikte, PC88A'nın katyonik karaktere sahip kristal viyole boyasının giderimi üzerine literatürde doğrudan bir çalışma bulunmamaktadır. TBP ise ekstraksiyon verimliliğini artıran, faz transferini kolaylaştıran ve membran yapısına stabilite kazandıran bir modifiyer olarak tercih edilmiştir. Literatürde genellikle hidrometalurjik süreçlerde kullanılan bu katkı maddelerinin, bu çalışmada ilk defa birlikte bir membran yapısında değerlendirilerek organik boyar maddelerle de seçici etkileşim gösterebileceği ortaya konmuştur. Polimer içerikli membran çözücü içerisinde destek maddesi, organik taşıyıcı ve plastikleştiricinin homojen bir şekilde dağılması ile hazırlandı. Homojen dağılım için mekanik karıştırıcı ve ultrasonik banyo kullanıldı. Membran çözeltisi temizlenen ve kurutulan, düz bir zemine yerleştirilen petri kabına döküldü. Organik çözücünün buharlaşmasının ve kurumasının ardından destile su ile yıkandı. Membran filmi petri kabından çıkartıldı. Membran kalınlığı dijital mikrometre ile ölçülerek 25 μm olarak belirlendi. Membranın performansını değerlendirmek için, kristal viyole numuneleri 590 nm'de UV-Vis spektrofotometre ile ölçülmüştür. Elde edilen bulgular, PC88A katkılı membranların kristal viyole için yüksek kristal viyole giderimi verimi sunduğunu göstermiştir. Membran miktarındaki artışla (1cm2-3cm2) boya giderim verimi 3 saatte %87' den %93' e çıkmıştır. 0,0610 g (2cm2) membran ile 3 saatte % 93,06 boya giderimi gerçekleştirilmiştir. Membran yüzeyinin PC88A ve TBP katkısı ile zenginleştirilmiş olması, yüzeyde asidik fonksiyonel grupların varlığına ve bu grupların hem elektrostatik etkileşimler hem de hidrojen bağları yoluyla katyonik kirleticilerle güçlü bir bağ kurabilmesine olanak tanımıştır. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında hazırlanan membranlar, Termogravimetrik-Diferansiyel Termal Analiz (TG-DTA), Temas Açısı Ölçümü, X Işınları Kırınımı Spektrometresi (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FEG-SEM) ile analiz edilmiştir. DTA-TGA analizinde PC88A içeren membranın kütle kaybı yaklaşık 180 °C civarında başlamıştır. 414°C' de kütle kaybı yaklaşık %80 olmuştur. Temas açısı ölçümleri, tek bir damla için ortalama 10 saniyelik bir süreyle, 10-15 ölçüm kaydı alınarak gerçekleştirildi. Membranın temas açısı yaklaşık 78° değerinde ölçülmüştür. Bu değer membran yüzeyinin hidrofilik olduğunu göstermektedir. XRD analizinde ise membranın amorf bir yapı içerdiği tespit edilmiştir. İlave edilen PC88A miktarı az olduğundan XRD analizinde kristal yapı oluşumu gözlenmedi. FTIR analizlerinde ise; spektrumlarda gözlemlenen bantlar, PC88A ve PVC'nin yapılarının bozulmadan kaldığını ortaya koymaktadır. Membran bileşenleri arasında kimyasal bağlanma yerine fiziksel etkileşim ya da zayıf moleküllerarası etkileşimler ön planda olduğu görülmüştür. Elde edilen bulgular, PC88A-TBP içeren membranların boya giderimi gibi çevresel uygulamalardaki etkinliğini göstermektedir. Membranlarla kristal viyole boyasının sulu çözeltiden %100'e yakın giderimi gerçekleştirilmiştir. Kristal viyole giderimi sonrası FEG-SEM görüntülerinden membran yüzeyinde kıvrımların yoğunluğunun ve düzeninin değiştiği gözlenmiştir. Yüzey daha karmaşık ve yer yer granüler görünmektedir. Bu durum, boyanın yüzeye tutunumuyla ilgili olarak boya moleküllerinin membranda yüzeyle fiziksel etkileşimine işaret etmektedir. Membranların FEG-SEM görüntülerinden PC88A'nın nano-boyutlu kümeler oluşturma eğilimi ile TBP'nin yüzey düzleştirici ve gözenek düzenleyici etkisinin birleşimi, bu membranda daha düzenli ve dalgalı bir nano-yapının oluşmasına yol açmıştır. TBP'nin varlığı, PC88A'nın tek başına gösterdiği düzensiz ve iri partiküler yapının aksine, bu nano-yapıların daha iyi bütünleşmesini ve daha pürüzsüz (makro ölçekte) bir film oluşturmasını sağlamıştır.Sonuç olarak, bu çalışma, PC88A ve TBP içeren polimerik membranların organik kirleticilerin (boyaların) seçici giderimindeki etkinliğini vurgulayan yenilikçi bir yaklaşımdır. Membranların yüksek giderimi kapasitesi, termal kararlılığı ve çok işlevli yapısı, geniş uygulama potansiyeline sahip olması önemli katkılar sunmaktadır. Böylece, PC88A ve TBP'nın geleneksel kullanım alanlarının dışında polimer içerikli membranlarda kullanılabileceğini göstermiştir.