Tris(hidroksimetil)aminometan ile modifiye edilmiş polistiren esaslı polimerik sorbentin hazırlanması ve sulu ortamdaki borun giderilmesinde kullanılması

Bor, periyodik tablonun grup 13 kısmında yer alan, yüksek erime noktalı, elektrik iletkenliği düşük olan bir elementtir. B10 (%19,8) ve B11 (%80,2) olarak iki kararlı izotopu vardır. Ayrıca az değerlilik elektronlarına sahip olduğundan, metalik bağdan daha çok kovalent bağ yapmayı tercih eder. Borun yerkürede bulunma oranı %0.01 ve 100 ppm gibi düşük bir konsantrasyon olduğundan nadir elementlerden biri sayılır. Tabiatta yaklaşık 230 çeşit bor minerali vardır. Oksijenle bağ yapmaya yatkın olması sebebiyle pek çok değişik bor-oksijen bileşimi bulunmaktadır. Bor-oksijen bileşimlerinin genel adı borattır. Bu nedenle bor, saf element formunda değil; ya boraks, kolemanit, kernit, üleksit gibi mineraller halinde, ya da borasit, borik asit gibi bileşikleri halinde bulunur. Borun buna benzer metal veya ametal elementlerle yaptığı bileşiklerin gösterdiği değişik özellikler, endüstride pek çok çeşit bor bileşiğinin kullanılmasına imkan sağlamaktadır. Su kaynaklarındaki baskın formu ise, (denizler, göller, vs.) borik asittir. Borik asit pKa değeri 9.1 olan zayıf bir asit olup, 25°C'de çözünürlüğü 55 g.L-1'dir ve içme suyunda 0.1 ppm veya daha düşük konsantrasyonda bulunur. Bor tüm dünya için önemli olan ve geleceğin petrolü olarak nitelendirilebilecek bir madendir. Ülkemizin de en önemli yer altı zenginliklerinden biri belki de en önemlisi ve tek stratejik önemi olan doğal kaynaklardan birisidir. Bu nedenle maden ihraç ürünleri arasında birinci sırada yer almaktadır. Bor ve bileşiklerinin endüstride çok çeşitli kullanım alanları bulunmaktadır. İnşaat ve çimento sektöründe mukavemet arttırıcı ve izolasyon amaçlı olarak, ağartıcı ve bakterilere karşı koruyucu özelliği nedeniyle deterjan sektöründe, yumuşaklık, yapışkanlık ve dayanıklılık kazandırma özellikleri nedeniyle kozmetik sektöründe, verimi arttırması bakımından tarım sektöründe, seramiğin pişme sıcaklığını düşürmesi bakımından seramik sektörü gibi çok çeşitli endüstriyel alanlarda bor mineralinden faydalanılmaktadır.. Ayrıca bor, malzemelere küçük miktarlarda bile eklenmesi halinde iletkenlik özelliğini geliştirdiğinden yarı iletken endüstrisinde de (transistor ve diyot üretimi, vb.) kullanılmaktadır. Bor insanlar, hayvanlar ve bitkiler için de önemli bir elementtir. Az miktarlarda alındığı zaman canlı hücrelerinde işlevsel bir özelliğe sahiptir. Örneğin bitkilerin büyümesi, hücre oluşumu ve enzimatik reaksiyonlarında önemli işlevlere sahiptir. Ancak, canlıların boru yüksek konsantrasyonlarda alması halinde bıraktığı etkilerin çoğu tam olarak aydınlatılmamış olmakla birlikte, oluşturduğu tehlikeli sonuçların bazıları bilinmektedir. Örneğin gerektiğinden fazla alındığında bitkilerde yaprak kenarlarının sararmasına, fotosentez hızında düşmeye, kökteki hücrelerin bölünmesinde azalmaya, kök dokularında büyüme geriliğine; insanlarda ve hayvanlarda ise zehirlenmeye, deri döküntülerine, böbrek, karaciğer ve merkezi sinir sisteminde hasara, hücresel gelişmede yavaşlamaya ve üreme sistemi üzerinde olumsuz yan etkilere sebep olduğu söylenebilir. Sonuç olarak bor, aşırı dozda maruz kalındığında olumsuz hatta ölümcül etkilerine rağmen, canlıların yaşamsal faaliyetleri için minimum bir miktarda da mutlaka alınması gereken bir element olarak karşımıza çıkmaktadır. Endüstride kullanılan bor sebebiyle endüstriyel atıksulardaki bor konsantrasyonu yukarıda sözü edilen aşırı doz seviyesine ulaşmaktadır. Bu durumdan sularda yaşayan canlılar, sulamada kullanıldığında bitkiler ve içme suyu olarak kullanımında insanlar olumsuz etkileneceğinden, atıksulardan boru neredeyse tamamen uzaklaştırmak veya konsantrasyonunu azaltmak gerekmektedir. Sulardan ve atık sulardan bor giderimi için yapılan çalışmaların amacı borun giderilmesi ya da geri kazanılmasıdır. Diğer bir amaç ise çevre kirliliğinin önlenmesi ve bor kirliliği giderilen suların sulamada tarımsal amaçla kullanılmasının sağlanabilmesidir. Sulardan ya da atık sularından borun uzaklaştırılması zor ve karmaşık olsa da, uzun bir süreçte yapılan araştırmalar sonucunda bazı yöntemler ön plana çıkmıştır. Bu yöntemleri kimyasal çöktürme, iyon değiştirici reçineler veya/ve ters ozmos membranlarla ayırma, sıvı-sıvı ekstraksiyon, elektrodiyaliz ve adsorpsiyon olarak sıralayabiliriz. Adsorpsiyon yönteminin diğerlerine kıyasla daha basit ve ucuz bir yöntem olduğu söylenebilir. Cis- pozisyonunda hidroksil gruplar olan fonksiyonel grupları içeren şelatlayıcı reçineler, borat-diol kompleksleri oluşturarak borun uzaklaştırılmasında yüksek seçimlilik gösterirler. Adsorpsiyon, gaz veya sıvı parçacıkların katı veya sıvı bir yüzeye tutunması olayıdır. Burada yüzeye tutunan atomik veya moleküler haldeki maddeye adsorbat adı verilirken, tutunulan yüzey ise adsorban olarak adlandırılır. Adsorbat ve adsorban molekülleri arasında elektrostatik etkileşim, Van der Waals etkileşimi yada kimyasal etkileşim yoluyla gerçekleşmektedir. Gözeneklilik, yüzey alanı, adsorbentin ve adsorbatın kimyasal yapısı, basınç, sıcaklık, ortamın pH değeri gibi etkenler, adsorpsiyonu etkileyen faktörlerdir. Polimerik adsorban kullanılması sentez ve adsorpsiyon aşamasında avantaj sağlar. Örneğin sentez aşamasının görece pratikliği, kolaylıkla tekrar kullanılabilmesi, şekillerinin uygun formlarda olması, gözenekli veya gözeneksiz olabilmesi bunlardan bazılarıdır.Bu çalışmada borun sudan giderilmesi için adsorpsiyon yöntemi kullanılmıştır. İlk olarak bor-seçici özellikte polimerik adsorban hazırlanmış; bunun için etilenglikoldimetakrilat ile çapraz bağlı poli(vinil benzil klorür) polimeri, tris(hidroksimetil)aminometan ile modifiye edilmiştir. Adsorbanın yapısı Fourier dönüşümlü Infrared Spektrometri (FTIR) ile incelenmiş, fonksiyonel gruplardaki amin miktarı analitik yöntemle tayin edilmiştir. Yapılan analitik ölçümlerle reçinenin içerdiği amin miktarı 2.45 mmol.g-1 reçine olarak bulunmuştur.Reçinenin bor adsorpsiyonu çalışmalarına, optimum adsorban miktarı belirlenerek başlanmıştır. Bunun için 0.02 – 0.12 g arasında değişen miktarlardaki reçineler, 0.485 M borik asit ile oda sıcaklığında, sürekli karıştırılarak 24 saat süre ile etkileştirilmiştir. Adsorpsiyon kapasitesinin optimum olduğu miktar 0.1 gram olarak bulunmuştur. Ardından, bu optimum miktarda alınan reçineler ile 0.128 M - 0.500 M konsantrasyonları arasında değişen borik asit çözeltileri etkileştirilip boru tutma kapasiteleri hesaplanmıştır. Konsantrasyon artışı ile birlikte reçinenin kapasitesi artarken, kapasitenin belirli bir değerden sonra sabit kalıp dengeye ulaştığı gözlenmiştir. Tampon çözelti kullanılmadan yapılan ölçümlerde reçinenin bor tutma kapasitesi 2.17 mmol.g-1 olarak tespit edilmiştir.. Ayrıca elde edilen veriler doğrultusunda Langmuir, Freundlich ve Tempkin izoterm modelleri uygulanmış; reçinenin bor adsorpsiyon davranışının Freundlich ve Tempkin izoterm modellerine uygun olduğu belirlenmiştir. adsorpsiyonuna etkisinin incelenmesi için, borik asite göre 0.485 M, Mg+2 ve Ca+2 'a göre 0.14 M olan çözeltiler ile 0.1 gram reçine etkileştirilmiştir. Sonuç olarak bu iyonların varlığının reçinenin bor adsorpsiyon kapasitesi üzerine etkisinin tolerans edilebilecek düzeyde olduğu bulunmuştur. Buna ek olarak, reçinenin bor adsorpsiyonuna pH etkisinin araştırılması için, 0.1'er gram reçine, değişen pH (pH 2, 4, 6, 8) değerindeki ortamlarda 0.485 M borik asit çözeltileri ile oda sıcaklığında 24 saat süreyle etkileştirilmiştir. Farklı pH'larda ki denemeler ise bor adsorpsiyonunun yüksek pH değerlerinde daha kararlı olduğunu göstermiştir. Reçinenin bor adsorpsiyon hızını inceleyebilmek için reçine kapasitesindeki değişim zamana bağlı olarak eser miktarda bor varlığında incelenmiştir. Yalancı birinci dereceden, yalancı ikinci dereceden ve parçacık içi difüzyon kinetik modelleri uygulanıp, reçinenin kinetik davranışı tartışılmıştır. Sonuç olarak bor adsorpsiyonunda parçacık içi difüzyon basamağının mekanizmada yer aldığı gözlenmiştir. Reçinenin rejenerasyonu özellikle endüstriyel kullanımda önemli olduğundan, bor yüklü reçinenin desorpsiyon özelliği de incelenmiş, reçineden 2.10 mmol.g-1 borik asidin desorbe olduğu görülmüştür. Bu da reçinenin adsorpladığı borun neredeyse tamamının desorbe olduğu anlamına gelmektedir. Ayrıca, desorbe edilen reçinenin bor ile bir kez daha etkileştirilerek tekrar kullanılabilirliği test edilmiş, reçinenin tam rejenarasyonunun sağlanıp tekrar kullanılabilir olduğu tespit edilmiştir.