Renk Giderici Çitosan Kompozitlerinin Hazırlanması Ve Adsorpsiyon Kinetiği Çalışmaları

Abstract

Tekstil, kağıt, plastik gibi birçok endüstri oldukça fazla oranda su kullanmaktadır ve ayrıca ürünlerini renklendirmek için kimyasal ve boya kullanmaktadırlar. Sonuç olarak, oldukça fazla oranda atık su üretirler. Bu atık sular dünya çapında su kirlenmesinin önemli bir sebebini oluşturur ve işlem görmeden bertaraf edilirlerse verildikleri sulara çok büyük zarar verirler. Renk, atık suda fark edilen ilk kontaminanttır ve çok küçük miktarda boyanın varlığı bile oldukça görünür ve istenmez bir durumdur. En küçük hacimdeki sıvı atıklar bile yüzey sularının normal olmayan şekilde renklenmesine sebep olabilir, bu durum da suyun netliğini etkiler. Renkli atık suların çevreye salınımı genellikle istenmeyen bir durumdur, fakat bu sadece renklerinden dolayı değildir. Bunun sebebi birçok boya ve bozunma ürününün toksik veya mutajenik etkilere sebep olmasıdır. Bu atık sular bu sebeple insanlar için ve suda yaşayan organizmalar için de tehlike oluşturmaktadır. Boya içeren atık suların işlenmesi çok zordur; zira boyalar inatçı organik moleküller olup ışık, ısı ve oksitleyici ajanlar karşısında stabildir. Toksik atık suları su kirlenmesinin ana sebeplerinden biridir ve işlenmeden bertaraf edilirse atıldıkları sulara önemli zararlar verebilirler. Su kaynaklarının korunabilmesi için atık su konusundaki mevzuatlar giderek daha sıkı hale getirilmektedir. Giderek azalan bu su kaynaklarını koruyabilmek için mevcut durumun daha kötüye gitmemesi amaçlı olarak atık sular üzerine düzenleyici mevzuatlar atık su işlenmesinde daha fazla işlem gerektirmektedir. Tekstil atık sularındaki artık boyaların çok küçük miktarlarda bile çok fazla renk verebilmekte olması ve atık suyun içindeki güçlü tekstil boyaları yüzünden arıtma işlemi gördükten sonra bile rengini kaybetmemesi, bu konudaki yönetmelikler açısından zorluk oluşturmaktadır. Boyalar kalıcı ve ısrarcı moleküller oldukları için, boya içeren atık suların işlenmesi zor atıklar olduğu bilinir bir durumdur. Bir diğer zorluk da düşük konsantrasyonda boya içeren atık suları arıtmaktır. Bu durumda, yaygın boya giderme yöntemleri ekonomik açıdan tercih edilmeyen veya teknik açıdan zor yöntemlerdir. Eser miktarda safsızlık gidermek için kullanılan yöntemler çok masraflı olduğu için, atık suda boya gidermek için kullanılan birçok yöntem tekstil endüstrisinde büyük çapta kullanılmamaktadır. Pratikte, tek bir yöntem yeterli arıtma sağlayamamakta ve en ekonomik yoldan istenen su kalitesine ulaşmak için farklı proseslerin kombinasyonu kullanılmaktadır. Bu sebeple, endüstriyel kullanımda kabul edilebilir ve etkili olan yeni renk giderme yöntemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Düşük masraflı adsorbanlar kullanılarak yapılan adsorpsiyon çalışmaları bu konuda etkili ve ekonomik bir alternatif önermektedir, bu konuda birçok çalışma yapılmaktadır. Adsorpsiyon iyi bilinen bir ayırma işlemidir ve su dekontaminasyonu uygulamalarında etkili bir yöntemdir.Suyun yeniden kullanımında adsorpsiyon masraf, tasarımın basitliği ve esnekliği, işlem kolaylığı, yüksek kapasiteye sahip olması ve toksik kontaminanlardan etkilenmeme açısından diğer tekniklerden daha iyi durumdadır. Adsorpsiyon ayrıca zararlı maddelerin oluşumuna da sebep olmamaktadır. Adsorbanlar öncelikle sıvıdan bileşenleri giderebilecek derecede geniş iç hacme sahip olmalıdır. Bu şekilde gözenekli katı yapılar karbonlu veya inorganik olabilir, bazı durumlardaysa gerçek moleküler eleme özelliklerine sahip olabilir. Adsorbanlar dayanıklı olabilmek ve adsorbatları hızlı şekilde aktarabilmek için iyi mekanik ve kinetik özelliklere de sahip olmalıdır. Adsorbanları kullandıktan sonra yeniden kazanabilmek ekonomik ve idealdir, bu durumda yeniden kazanımı etkili ve mekanik ve adsorban özelliklere hasar vermeden gerçekleştirebilmek esastır. Ekonomik açıdan ham maddeler ve absorpsiyon yöntemleri, adsorpsiyonunu diğer alternatif ayırma proseslerine göre ideal olması için düşük masraflı olmalıdır. Adsorbanlarla gerçekleştirilen çalışmalar henüz optimum duruma gelip, yani adsorban dozunu ve karşılaşılan sorunları en aza indirgemiş hale gelmemiştir. Fakat, bu konuda pratik ve yeniden kullanılabilir bir yöntem bulmak için aktif karbon gibi iyi bilinen adsorbanlar veya adsorban olarak kullanılabilir proses atıkları gibi birçok adsorban ile çalışmalar sürmektedir. Kullanılan adsorbanlar arasında özel bir ilgi doğal bir aminopolimer olan çitosana verilmektedir. Çitosan sulu çözeltilerden boyanın ayrılması amacıyla çalışmalarda kullanılmaktadır. Bu doğal polimer, rengin giderilmesi için onu etkili bir biosorban haline getirecek içsel özelliklere sahiptir. Biosorban olarak kullanımı iki önemli avantaja sahiptir: ticari diğer adsorbanlara göre daha ekonomiktir (dünyada selülozdan sonra ikinci en bol bulunan polimer olan çitinin deasetilasyonu ile oluşur) ve önemli bağlama özelliğine sahiptir (bu aminopolimerin ana uygulama alanlarından biri kirletici maddeleri, özellikle ağır metalleri bağlama özelliğidir). Çitosan çitinin deasetile bir türevi olup, temel olarak kabuklularda bulunan bir doğal polimerdir. Çitin ve çitosan arasındaki deasetilasyon düzeyini ayrıştırabilmek için genellikle %50 asetil içeriği bulunan polimerler çitosan olarak adlandırılır. Hem çitin hem çitosan kendilerine özgün yapıları nedeniyle yüksek derecede biyolojik ve mekanik özelliğe sahip olup, yenilenebilir ve biyofonksiyonel malzemelerdir. Çitosan gelişmiş çözünürlüğü ve ileri fonksiyonelliği sebebiyle bir çok uygulamada daha kullanışlıdır. Çitosan çitinden veya selülozdan kimyasal olarak daha çok yönlü olmakla beraber, biyobozunabilirliği, biyouyumluluğu, film oluşturma yetisi, polifonksiyonelliği, hidrofobisitesi ve adsorpsiyon özelliklerine sahiptir. Katyonik yapısı adsorpsiyon için umut vaat eden bir madde olmasını sağlar. Çitosan kabuklular, böcekler ve mantarların dış iskeletinden elde edilmekte olup, gıda sektörünün bir atığı olduğu için ekonomik açıdan idealdir. Geçerli olarak bir çok ülkede üretilmekte olup, kozmetik, tekstil, gıda, tarım, kimya, dişçilik, ilaç, biyoteknoloji ve tıbbi uygulamalar olmak üzere birçok sektörde kullanılmaktadır. Çitosan bazlı maddelerin kullanışlı adsorbanlar olarak adsorpsiyon biliminde gelişmekte olan bir alandır. Çitosan aktif çamur, poliüretan, bentonit, kaolin, selüloz, magnetit, kum ve daha birçok malzeme ile birlikte boya gidermekte kullanılmıştır. Literatürde çitosanı ağır metaller, boyalar, fenollar, anyonlar ve çevreyi kirleten maddelerin adsorpsiyonunda kullanan birçok çalışma bulunmaktadır, ekonomik bir adsorban olması bu çalışmaları desteklemektedir. Literatürde modifiye ve çitosan kullanılarak boya moleküllerinin adsorpsiyonu, su ve atık su detoksifikasyonu ve renk giderme üzerinde çalışmalar gerçekleştiren birçok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmanın amacı çitosan türevleri kullanılarak tekstil boyalarının sudan adsorpsiyonudur. Bu çalışmada, çitosan-montmorillonit (Chi-MMT) kompozitleri ve üre-formaldehit ve üre ile Chi-MMT kompozitleri oluşturulmuştur. Çitosan, çitosan ve montmorillonitin sulu karışımları manyetik karıştırıcıda karıştırılarak modifiye edilmiş, distile su ile yıkanmış ve kurutulup öğütülmüştür. Üre-formaldehit karışımı Chi-MMT sulu karışımı ile 80 ˚C'de karıştırılarak kompozitler oluşturulmuş, ve sonrasında bu karışım saat camlarına dökülerek kurutulmuştur. Boya çözeltileri (Reaktif Mavi 221, Reaktif Kırmızı 195 ve Reaktif Siyah 5) distile suda hazırlanmış ve yeterli miktarda öğütülmüş kompozit tozu veya kompozit filmler her boya çözeltisine farklı koşulların adsorpsiyon üzerindeki etkisini belirlemek amaçlı olarak farklı deneyler için eklenmiştir. Farklı sıcaklık değerleri, farklı pH değerleri, farklı adsorban miktarları, farklı çapraz bağlı madde içerikleri içeren adsorbanlar gibi farklı koşullarda adsorpsiyon deneyleri gerçekleştirilmiş ve bunlar en iyi sonuç için karşılaştırılmıştır. Adsorpsiyondan sonra renk değişiminin değerlendirilmesi için UV analizi gerçekleştirilmiş ve UV analizlerinden alınan sonuçlar ile kompozitlerin adsorpsiyon kapasiteleri hesaplanmıştır. Adsorpsiyon kinetiği üzerine çalışmalar gerçekleştirilerek adsorpsiyon hızı ve her deneyde kullanılan kompozitlerin maksimum adsorpsiyon kapasitesi belirlenmiştir. Sentezlenen çitosan türevleri üzerinde FT-IR analizi gerçekleştirilerek karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, partikül boyutu ve yapısını inceleyebilmek için kompozitler SEM ile karakterize edilmiştir.

Many industries like textile, paper, plastic generate considerable amount of waste water since they use excessive amounts of water in their operations and they also use chemicals and colorants to color their products. These waste waters form a significant reason of worldwide water pollution, and if they are released before being treated, they bring an important harm to these waters. There are many studies in literature using modified or pure chitosan that aims for adsorption of dye molecules, detoxification of water and wastewater, and color removal. The objection of this study is the adsorption of textile dyes from water by chitosan derivatives. Chitosan-montmorillonite composites, and composites of Chi-MMT with urea and urea-formaldehyde were formed for this study. Chitosan was modified by mixing chitosan solutions and montmorillonite solutions with magnetic stirrer, washing with distilled water and subsequently drying. Urea-formaldehyde mixture was mixed with Chi-MMT mixture at 80 ˚C in order to form composites, and afterwards, this mixture was poured onto watch glasses and dried. Dye solutions (Reactive Blue 221, Reactive Red 195 and Reactive Black 5) were prepared in distilled water and sufficient amount of the ground composite flakes and composite films were added to each dye solution for several experiments in order to determine the effect of different conditions on adsorption. Adsorption experiments in different conditions such as different temperature values, different pH values, different amounts of adsorbate, different crosslinking contents were performed, these were compared for best outcome. UV analysis was performed for the assessment of color change in solutions after adsorption and with the help of these analyses adsorption capacities of the composites were determined. Studies on adsorption kinetics were performed by calculating adsorption rate and maximum adsorption capacity of the composites used in every experiment. Furthermore, chitosan derivatives underwent FT-IR analyses for characterization and SEM analyses were performed in order to determine the particle size and structure of the composites.