Süper sünger, endüstriyel atık sudaki toksik boyaları giderebilir

Renkler hayatımızı aydınlatır ve giydiğimiz canlı kıyafetlerden dekoratif kağıtlara ve ambalaj malzemelerine kadar günlük olarak kullandığımız sayısız öğeyi tanımlamaya yardımcı olur. Bu şeylere farklı renk katan nedir? Renklendirdikleri malzemenin yapısına kendilerini bağlayan boyalar. Örneğin metilen mavisi (MB), kağıdı, deri ürünlerini, ipek ve yünü renklendirmek için kullanılan bir boyadır ve ayrıca teşhis maddesi olarak ve kauçuk ve kozmetik endüstrilerinde de kullanılır. Peki bu boyalar amaçlarına hizmet ettikten sonra ne olacak?

Yakın zamanda yapılan bir araştırmaya göre her yıl milyarlarca ton boya içeren atık su su sistemlerine giriyor. Düşük ve orta gelirli ülkelerde üretilen bu atık suyun yaklaşık %80’i doğrudan sulama için kullanılıyor veya arıtılmadan su kaynaklarına bırakılıyor.

Bu boyalar sonunda dereleri, nehirleri ve gölleri insan ve hayvanların kullanımına uygun hale getiremez. Ayrıca suda yaşayan organizmaların yaşam alanlarını da olumsuz etkiler. MB ayrıca kusma, nefes alma sorunları, ishal, göz yanıkları, sarılık ve kanser gibi sağlık sorunlarına da neden olabilir.

MB’nin sudan uzaklaştırılmasını kolaylaştırmak için membran filtrasyonu, pıhtılaşma ve elektrokimyasal arıtma gibi stratejiler araştırılmıştır. Bununla birlikte bazı dezavantajlar arasında bu tür yaklaşımların pahalı doğası, istenmeyen yan ürün oluşumu ve birden fazla boyanın uzaklaştırılmasındaki başarısızlık yer alır.

Bu gibi durumlarda adsorpsiyon, kullanım kolaylığı, daha düşük enerji yatırımı ve adsorban malzemelerin yeniden kullanılması nedeniyle umut verici bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Basitçe ifade etmek gerekirse adsorpsiyon, bir maddenin başka bir maddenin yüzeyine yapışmasını içerir. Ancak farklı koşullar altında stabil kalan ve verimli bir şekilde yeniden kullanılabilen malzemelerin geliştirilmesi halen zorludur.

Temizliğe hidrojel yaklaşımı

Hindistan Teknoloji Enstitüsü Gandhinagar’dan (IITGN) araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen bir çalışma, ACS Uygulamalı Polimer Malzemelermikroskobik sünger gibi davranan ileri malzemeler olan hidrojelleri geliştirerek bu sorunu çözmeyi amaçlıyor.

MB dışında, mühendislik malzemeleri, aynı su bazlı çözelti içinde birden fazla boya mevcut olsa bile, kristal viyole ve rodamin B gibi diğer yaygın boyaları sağlam bir şekilde hapsederek bunların seçici olmayan afinitesini ortaya koydu. Bu yetenek özellikle önemlidir çünkü boya kullanan endüstrilerden gelen atık su nadiren yalnızca tek bir kirletici madde içerir.

Hidrojeller, büyük miktarda su ve biyolojik sıvıyı emebilen çok sayıda küçük gözenek içeren yumuşak malzemelerdir. Bu çalışmada araştırmacılar, selülozdan türetilmiş biyolojik olarak parçalanabilen bir malzeme olan karboksimetil selüloz (CMC) ve akrilik asit dahil ek bileşenleri kullanarak bir hidrojel olan CAPA’yı yarattılar.

Yakın zamanda doktorasını savunan Dr. Hitarth Patel, “En önemli yenilik, akrilik asit miktarının ayarlanmasında yatıyordu. Bu tek bileşeni değiştirerek, malzemelerin yapısına, yüzey özelliklerine ve adsorpsiyon davranışına ince ayar yapabildik” diye açıkladı. IITGN’de tezi vardır ve bu çalışmanın ilk yazarıdır.

Ekip, MB’yi çıkarma yetenekleri açısından farklı miktarlarda akrilik asit içeren üç versiyonu test etti. En iyi performans gösteren hidrojel CAPA-2, MB boyasının %99,6’sını adsorbe etti.

Ayrıca, gram hidrojel başına yaklaşık 475 miligram boya adsorpsiyon kapasitesi, CAPA-2’yi MB giderimi için bildirilen en yüksek performanslı CMC bazlı hidrojeller arasına yerleştirir. Çeşitli çalışmalarda genellikle 30 mg/g ile 250 mg/g arasında değerler rapor edilmiştir.

Malzeme neden işe yarıyor?

Bu hidrojelleri etkili kılan nedir? Bunu “zıtların birbirini çekmesi” durumu olarak da düşünebiliriz. Bu hidrojeller birçok negatif yüklü bölge içerir. MB gibi boyalar pozitif yüklü bölgeler taşır ve bu da onların doğal olarak hidrojellere çekilmesini sağlar.

Ayrıca çalışma, akrilik asit oranının arttırılmasının hidrojellerdeki negatif yüzey yüklerinde artışa yol açarak adsorpsiyonu arttırdığını buldu. Analiz ayrıca MB ile hidrojellerin kuru cepleri arasında hidrojen bağlarının yanı sıra hidrofobik veya su itici etkileşimlerin varlığını da gösterdi.

Bu malzemeler aynı zamanda yaklaşık 25 nanometrelik ortalama gözenek çapına sahip son derece küçük gözenekler içerir; bunlar, yaklaşık 1 ila 2 nanometre boyutunda MB, kristal mor ve rodamin B boya moleküllerini atık sudan yakalamak, bağlamak ve çıkarmak için mükemmeldir.

Çoğu hidrojel, çalışma verimliliği açısından bir pH “konfor bölgesine” sahip olma eğilimindedir. İlginç bir şekilde, bu çalışmada tasarlanan CAPA hidrojellerinin davranışı bu açıdan farklıydı. Üçü de MB’yi en etkili şekilde pH 7’de (nötr) adsorbe ederken, CAPA-2 bu görevi hem asidik hem de alkali ortamlarda (pH 3 ve 10) çok iyi bir şekilde yerine getirdi.

CAPA-2 aynı zamanda yıkanıp tekrar kullanıldıktan sonra temizleme gücünden pek bir şey kaybetmeyen bir süngeri andırıyor. Dört yeniden kullanım döngüsünden sonra performansta 99,55’ten 95,91 mg/g’ye yalnızca hafif bir düşüş görüldü. Bu dayanıklılık, bu tür malzemelerin kullanımının atık su arıtma maliyetlerinin azaltılmasına yardımcı olabileceğini düşündürmektedir.

Atık su arıtımında vaat

Bu çalışmanın özellikle cesaret verici yanı, araştırmacıların nispeten basit bir tasarım stratejisi yoluyla performansta önemli bir iyileşme elde edebilmeleridir.

Dr. Bhaskar Datta’ya göre, “Önemli ve küresel düzeyde endişe verici kirlilik sorunuyla boğuşmaya devam ederken, yüksek boya giderme kapasitesi, farklı pH koşullarında stabilitesi ve tekrarlanan kullanılabilirliği ile CAPA hidrojelleri gibi yenilikler, endüstriyel atık su arıtımında umut verici çözümler sunmaktadır.”

Dr. Datta, IITGN’de kimya ve biyolojik bilimler ile mühendislik bölümlerinde profesördür.

Dünya Çevre Günü vesilesiyle bu araştırma, sürdürülebilir bir gelecek yaratmak için su kaynaklarının ve ilgili ekosistemlerin korunmasına yönelik potansiyel bir adımdır.

Dr. Datta, “Gelecekteki yönelimler, bu çalışmada oluşturulan akıllı süngerlerin gerçek dünyadaki performansının değerlendirilmesini içermektedir” diye ekledi.