Staudinger reaksiyonu ile aminlenmiş çapraz bağlı poli (stiren) esaslı reçinenin hazırlanması iminopropilen glikol ile modifikasyonu ve borun sulu çözeltilerden giderilmesinde kullanılması

Bor, periyodik tablodaki 3A grubunda yer alan, atom numarası 5 ve atom kütlesi 10,8 g olan elementtir. Kütle numaraları 10 ve 11 olan iki kararlı izotopu bulunur. Sırasıyla doğada yüzde 18,98 ve 81,02 oranında bulunur. Bor, periyodik tablodaki 3A grubundaki en yüksek iyonlaşma enerjisine sahip tek ametaldir. Bor toprakta, kayada, suda kısaca yer kürede yaygın olarak bulunan elementtir. Bor, tatlı sularda 0,01-1,5 ppm, deniz suyunda 0,5-9,6 ppm ve toprakta ise 10-20 ppm arasında bulunur. Genellikle, bor doğada serbest halde değil, başka elementlerle bileşikleri halinde bulunur. Farklı ve birçok sayıda bor-oksijen bileşimleri bulunmaktadır. Çünkü bor, oksijen karşı aktivitesi oldukça yüksektir. Bu borun oksitlerin alkali ve toprak alkali metalleri ile bileşimlere borat denir. Doğada 250 çeşitten fazla bor minareli bulunur. Bu bileşiklerin en yaygın olanları kernit, pandermit, kolemanit, üleksit, borik asit, boraks, sodyum perborat, boranlar, sodyum bor hidrür ve sodyum metaborattır. Ülkemiz dünya üzerinde bulunan bor minerallerinin yaklaşık olarak % 72'lik kısmına sahiptir. Ülkemizden sonra Çin, Rusya ve ABD gelmektedir. Türkiye'de bulunan başlıca bor yatakları ise Balıkesir, Kütahya, Bursa ve Eskişehir'de bulunmaktadır. Bor madenlerini işletmek için tesislerin bulunduğu yerler: Kırka (Eskişehir), Emet (Kütahya), Bigadiç (Balıkesir) ve Kestelek (Kütahya). Dünyada bor ürünlerini tüketen sanayi dallarını genel olarak 5 ana gruba ayırmak mümkündür: cam endüstrisi, sabun ve deterjan endüstrisi. sır ve emaye endüstrisi, ziraat endüstrisi ve diğer kullanım alanları. Bor madeni, camda oluşabilecek olan çiziklere karşı dayanıklılık, darbelere karşı dayanıklılık, yansıtma özelliğini arttırma, ışığı kırma özelliğini arttırma, çabuk eriyebilme özelliği, ısıya dayanıklılık tarzında özellikler katar. Sabunlar ve deterjanlara katılan bor madeni yumuşatıcı ve onlarca mikrobu yok edici bir özellik katar. Sodyum perborat ile beyazlatıcı etki katarken, boraks dekahidrat ile yumuşatıcı bir etki sağlamaktadır. Bor madeni özellikle emaye yapımında kullanılır. Emayelerin doyma ısılarını ve akışkanlıklarına katkı sağlar. Emayelerin yapılarına genel olarak sulu boraks katılmaktadır. Emaye metalinin paslanmasının önüne geçer. Mutfak eşyalarından, kimyaya ve silah yapımı gibi birçok alanda fayda sağlamaktadır. Bitkilerin farklı olan oranlarda besin maddesini bor oluşturur. Bundan kaynaklı olarak gübrelerin yapısına bor madeni katılarak verimlilik kazandırır. Şeker pancarı, zeytin, pamuk, tütün, kahve tarzındaki bitkiler için, boraks pentahidrat ve susuz boraks içermekte olan gübreler kullanılır. Uygun olan miktarlarda ve uygun olan çeşitlerde bor madenleri bitkilerin yaprak ve köklerin gelişmesine katkı sağlar. Tüm bu olumlu etkilerine rağmen, canlıların yaşamsal faaliyetleri için borun alımı için optimum bir değer vardır. Canlı tarafından yüksek konsantrasyona sahip borun alınması zararlı etkiler ile sonuçlanmaktadır. Hatta aşırı dozda bora maruz kalındığında ölümcül etkiler gözlenmektedir. Borun sanayide yaygın kullanımı sebebiyle endüstriyel atık sularında bulunan bor konsantrasyonu Dünya Sağlık Örgütü'nün belirlediği limitin üstünde bulunmaktadır. Fazla bor konsantrasyonuna sahip atık suyun döküldüğü yerde yaşayan canlılar üzerinde olumsuz etkisi bulunmaktadır. Aynı zamanda bu atık sular sulamada kullanıldığında bitkiler için ve içme suyu olarak kullanıldığında insanlar için zararlı olacaktır. Bu sebeplerle atık suda bulunan borun hepsini gidermek veya mevcut konsantrasyonu limitlerin altına düşürmek gerekmektedir. Sulardan ve atık sulardan borun giderimi için iki amaç vardır. Birincisi borun geri kazanımı ve giderilmesidir. Aynı zamanda çevre kirliliğini önleyerek borun uzaklaştırılması ile atık suların değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Atık sulardan borun arıtılması kolay bir prosedür değildir. Borun giderimi için birçok yöntem vardır. Temel yöntemler arasında ultrafiltrasyon, ters osmoz, iyon değişimi, koagülasyon-çöktürme, ekstraksiyon, elektrodiyaliz ve adsorpsiyon bulunur. Diğer yöntemler ile karşılaştırıldığında, adsorpsiyon düşük maliyeti, yüksek verimliliği ve kolay uygulanabilir olması ile avantaja sahiptir. Adsorpsiyonda kullanılan reçinelerin yapısında cis pozisyonunda hidroksil grupların varlığı sayesinde borat-diol kompleksleri meydana gelerek borun arıtılması için yüksek seçimliliğe sahiptir. Atom, iyon ya da moleküllerin bir katı yüzeyinde tutulmasına adsorpsiyon, tutunan taneciklerin yüzeyden ayrılmasına desorpsiyon, katıya adsorplayıcı (adsorbent), katı yüzeyinde tutunan maddeye ise adsorplanan (adsorben) adı verilir. Bu yüzey olayı, adsorben ve adsorbent arasındaki elektrostatik etkileşiminden, Van Der Waals çekiminden ya da kimyasal yapıdan kaynaklanır. Adsorbenin ve adsorbentin kimyasal yapısı, adsorbentin gözenekliliği ve yüzey alanı, pH, sıcaklık ve basınç gibi ortam koşulları adsorpsiyonu etkileyen unsurlardır. Adsorpsiyonda polimer reçinelerin kullanılmasında kolaylık sağlar. Polimerin modifiye edilerek kimyasal ve fiziksel özellikleri değiştirilebilirken tekrar kullanabilmesi de avantajdır. Bu çalışmada borun sulu çözeltilerden arıtılması için adsorpsiyon metodu kullanılmıştır. İlk önce, süspansiyon polimerizasyonu ile çapraz bağlı poli vinil benzil klorür elde edilmiştir. Bu polimer sodyum azid ile modifiye edilmiştir. Azitlenmiş polimere Staudinger reaksiyonu ile amin grubuna sahip reçine elde edilmiştir. Bor için seçici olan bu reçinenin hazırlanmasındaki son adım ise aminlenmiş reçinenin glisidol ile modifiye edilmesidir. Fourier-dönüşümlü Infrared Spektometri (FT-IR) sayesinde, elde edilen adsorbent karakterize edilmiştir. Böylelikle adsorbent üzerindeki fonksiyonel grupların bor seçiciliği için önemi belirlenmiştir. Reçinenin içerdiği toplam amin miktarı 3,75 mmol/g reçine olarak bulunmuştur. Deneysel çalışmaları yürütebilmek için, elde ettiğimiz reçinenin optimum bor tutma kapasitesi için miktarı belirlenmiştir. Miktarları 0,05 ile 0,20 g arasında değişen reçineler ile 0,483 M borik asit etkileşiminden sonra, deneysel veriler ile optimum adsorbent ağırlığının 0,1 g olduğu gösterilmiştir. Takiben, bor tutma kapasitesi belirlenmiştir. Bunun için, konsantrasyonları 0,05 ile 0,485 M arasında değişen borik asit çözeltileri ile optimum belirlenen miktarda reçine ile etkileştirilmiştir. Kapasite konsantrasyon arttıkça artarken 0,485 M'da sabit kaldığı gözlenmiştir. Reçinenin bor tutma kapasitesi 3,727 mmol/g olarak belirlenmiştir. Ardından, tuz derişiminin, bor tutma kapasitesi üzerinde etkisi gözlenmiştir. Konsantrasyonları 0,05 ile 1,0 M arasında değişen sodyum klorür çözeltileri borik asit ile hazırlanmıştır. 0,1 g reçine ile etkileşiminden sonra tuz konsantrasyonu arttıkça azaldığı tespit edilmiştir. Bunun yanında, ortamda Mg+2 ve Ca+2 gibi metal iyonlarının varlığında reçinenin bor tutma kapasitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. 0,1 g reçine ile borik asite göre 0.485 M, Mg+2 ve Ca+2'a göre 0.14 M olan çözeltiler etkileştirilmiştir. Bu iyonların varlığında bor tutma kapasitesinin tolere edilebileceği gözlemlenmiştir. Aynı zamanda, 0,1 g reçine ile 0,485 M borik asit çözeltileri ortamdaki farklı pH değerleri ile çalışılmıştır. Çözeltinin pH aralığı 2 ve 8 arasında değiştiğinde bor tutma kapasitesi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bor tutma kapasitesinin farklı pH ortamlarında maksimum 3,86 olduğu gözlemlenmiştir. Çalışmanın diğer kısmı ise adsorpsiyon izotermleri ilgilidir. Adsorpsiyon için Langmuir, Freundlich ve Tempkin izoterm modelleri uygulanmıştır. Reçinenin bor tutma davranışı Freundlich izoterm modeline uygun olduğu gözlenmiştir. Buna ek olarak, düşük konsantrasyona sahip bor varlığında reçinenin bor tutma kapasitesindeki değişim incelenmiştir. Bu deney ise bize reçinen bor adsorpsiyon hızı hakkında bilgi vermektedir. Reçinenin kinetik davranışını belirlemek için yalancı birinci dereceden, yalancı ikinci dereceden ve parçacık içi difüzyon kinetik modelleri uygulanmıştır. Deneysel veriler incelendiğinde bor adsorpsiyonun yalancı ikinci derecen kinetik modeline uyduğu gözlemlenmektedir. Bor tutan reçinelerin endüstriyel kullanımda önemli bir yere sahiptir. Bu sebeple, reçinenin rejenerasyonu ile ilgili desorpsiyon özelliği de incelenmiştir. 3,57 mmol/g borik asidin reçineden desorpsiyonu gözlenmiştir. Bunun yanı sıra, reçinenin yeniden kullanabiliyor oluşunu incelemek için desorbe edilen reçine bor ile etkileştirilmiştir. Rejenerasyonu incelenen reçinenin tekrar kullanım için uygun olduğu tespit edilmiştir.