Çift Baskılı Polimerlerle Cd(II) Đyonlarının Sulu Ortamdan Uzaklaştırılması Gülgün AŞCI (ĐŞLER) YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Kimya Anabilim Dalı Temmuz - 2008

Çift Baskılı Polimerlerle Cd(II) Đyonlarının Sulu Ortamdan Uzaklaştırılması

Gülgün AŞCI (ĐŞLER) YÜKSEK LĐSANS TEZĐ

Kimya Anabilim Dalı Temmuz - 2008

Removal of Cd(II) Ions From Aqueous Solution Via Double-imprinted Polymers

Gülgün AŞCI (ĐŞLER) MASTER OF SCIENCE THESIS

Department of Chemistry July, 2008

ÇĐFT BASKILI POLĐMERLERLE

Cd(II) ĐYONLARININ SULU ORTAMDAN UZAKLAŞTIRILMASI

Gülgün AŞCI (ĐŞLER)

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca

Kimya Anabilim Dalı Analitik Kimya Bilim Dalında

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Olarak Hazırlanmıştır

Danışman: Öğr.Gör. Dr. Ebru BĐRLĐK ÖZKÜTÜK

Temmuz - 2008

jürimizce lisansüstü yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

Danışman : Öğr.Gör.Dr. Ebru BĐRLĐK ÖZKÜTÜK

Üye : Doç.Dr. Sibel TUNALI AKAR

Üye : Yrd.Doç.Dr. Temir Ali DEMĐR

Üye : Yrd.Doç.Dr. Sibel EMĐR DĐLTEMĐZ

Üye : Yrd.Doç.Dr. Ayça ATILIR ÖZCAN

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...

sayılı kararıyla onaylanmıştır.

Prof. Dr. Nimetullah BURNAK Enstitü Müdürü

ÖZET

Moleküler baskılama teknolojisi, seçici bağlanma bölgeleri üretimi için, makrogözenekli polimer matriksde bir molekülün tanındığı kimyasal olarak seçici bağlanma bölgeleri üreten bir stratejidir. Moleküler tanımlamaya dayanan ayırma teknikleri, hedef moleküllerin yüksek seçiciliklerinden dolayı çeşitli alanlarda büyük ilgi görmektedir.

Bu çalışmada moleküler baskılama yaklaşımını kullanarak APTS (3- aminopropiltrietoksilan) ye spesifik metaller bağlanarak metal kompleksi oluşturan ligandlar elde edilmiştir. Birnci aşamada APTS, Cd(II) iyonları ile kompleksleştirilerek, 3-merkaptopropil-trimetoksilan ile reaksiyona sokulmuştur. Daha sonra polimerik tanecikler tetraetoksilan (TEOS) ile çapraz bağlanmıştır. Baskılanmış polimerik yapıdan Cd(II) iyonları 0,1 M HNO3 ile uzaklaştırılmıştır. Maximum bağlanma kapasiteleri, optimum pH ve denge zamanı sırasıyla; 548 mgg^-1, pH 6.0 ve 45 dak.

olarak saptanmıştır.

Anahtar kelimeler: Đyon baskılanmış polimerler (IIP), çift baskılı polimerler, Cd(II) iyonunun uzaklaştırılması, katı faz ekstraksiyonu (SPE)

SUMMARY

Molecular imprinting technology is a strategy for producing chemically selective binding sites, which recognize a particular molecule, in a macroporous polymer matrix . Molecular recognition-based separation techniques have received much attention in various fields because of their high selectivity for target molecules.

In this study, we have used a molecular imprinting approach to achieve specific metal binding utilizing 3-amino-propyltrimethoxysilane (APTS) as a metal-complexing ligand. In the first step, APTS has complexed with Cd(II) ions and then reacted with 3- mercaptopropyl-trimethoxysilane. Then, polymeric particles have crosslinked with tetraethoxysilane (TEOS). The imprinted Cd(II) ion has removed from the polymeric matrix by 0.1 M HNO3. Maximum binding capacity, optimum pH, and equilibrium binding time have found as 548 mgg^-1, pH 6.0, and 45 min, respectively. In selectivity study, it has found that imprinting results in increased affinity of the material toward Cd(II) ion over other competitor metal ions with the same charge.

Key words: Ion-imprintined polymer (IIP), double-imprinting, Cd(II) removal, solid phase extraction

TEŞEKKÜR

Çalışmalarım süresince bana danışmanlık ederek, her türlü bilgiyi, yardımı, desteği ve hoşgörüyü esirgemeyen, beni yönlendiren ve her türlü olanağı sağlayan danışmanım Öğr.Gör.Dr.Ebru BĐRLĐK ÖZKÜTÜK’e,

Çalışmalarım sırasında her türlü yardım ve desteklerini esirgemeyen değerli arkadaşlarım Elif ÇOLPAN, Esin ŞAHĐN ve kuzenim Filiz ALTINGÖZ’ e

Öğrenim hayatımın başlangıcından bu yana maddi ve manevi yardımlarını hiçbir zaman esirgemeyen, her zaman sonsuz hoşgörü ve özveriyle beni destekleyen değerli AĐLEME,

Ve her zaman yanımda olup desteğini benden hiçbir zaman esirgemeyen hayat arkadaşım, EŞĐME,

Sonsuz teşekkürlerimi bildiririm.

Gülgün AŞCI (ĐŞLER)

Sayfa

ÖZET………..……..v

SUMMARY………...vi

TEŞEKKÜR………vii

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ………...xiii

ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ……….xv

KISALTMALAR DĐZĐNĐ………...……...xvi

1. GĐRĐŞ………...1

2. GENEL BĐLGĐLER...5

2.1. Kadmiyum Đyonu ………...5

2.1.1.Kadmiyum iyonu ve özellikleri ………...5

2.1.2. Kadmiyum iyonu ve reaksiyonları...8

2.1.2.1. Hava ile reaksiyonu………...8

2.1.2.2.Su ile reaksyonu………...8

2.1.2.3.Halojenler ile reaksiyonu..…… ………...8

2.1.2.4.Asit ile reaksiyonu...8

2.1.2.5.Baz ile reaksiyonu………....9

2.1.2.6.Đndirgenme potansiyel………..………....9

2.1.3.Kadmiyum iyonunun uzaklaştırılması………9

2.2 Katı Faz Ekstraksiyonu………...12

2.3. Moleküler Baskılama………...17

2.3.1. Moleküler baskılama ve tarihçesi ………...17

Sayfa

2.3.2. Moleküler baskılama teknolojisi...19

2.3.3. Đyon baskılama...21

2.4. Moleküler Baskılama Çeşitleri...23

2.4.1. Kovlent baskılama...23

2.4.2. Non-Kovalent baskılama...24

2.4.3. Kovalent bağlanma ile non-kovalent bağlanmanın avantajları ve dezavantajları...25

2.5. Moleküler Baskılama Birimleri...27

2.5.1. Fonksiyonel monomerler...27

2.5.2. Çapraz Bağlayıcılar...30

2.5.3. Baskı Molekül...32

2.5.4. Çözücü...32

2.5.5. Başlatıcı...33

2.6. Moleküler Baskılı Polimerlerin Uygulama Alanları…………...33

2.6.1. Ayırma ortamında adsorbent olarak kullanılması………...34

2.6.2. Moleküler tanınma ve proteinlerin bağlanmasında kullanılması………35

2.6.3. Oldukça seçici katalitik sistemlerin tasarımı ve sentezinde kullanılması………36

2.6.4. Kimyasal ve biyolojik sensörlerde kullanılması………..36

2.7. Polimerik Sorbente Adsorplanan Metal Đyonu Miktarı Tayini………..37

2.8. Atomik Absorbsiyon Spektroskopisi (AAS)...37

2.8.1. Tarihçe...37

2.8.2. Çalışma Đlkesi...38

ĐÇĐNDEKĐLER DĐZĐNĐ (devam)

Sayfa

2.8.3. Alevli Atomik Absorpsiyon spektrofotometresi...40

2.8.3.1. Işık Kaynakları ...41

2.8.3.2. Atomlaştırıcılar...43

2.8.3.2.1. Alevli Atomlaştırma...47

2.8.3.2.2. Elektrotermal (Alevsiz) atomlaştırıcı...50

2.8.3.3. Monokromatör...50

2.8.3.4. Dedektör...50

2.8.4. Atomik Absorpsiyon spektroskopisinde girişimler...51

2.8.4.1.Spektral girişimler...51

2.8.4.2.Kimyasal girişimler...51

2.8.5. Analitik Uygulamalar...51

3. MATERYAL VE METOD...53

3.1. Materyal...53

3.1.1. Kullanılan kimyasallar...53

3.1.2. Kullanılan cihazlar...53

3.2. Metot...54

3.2.1.Polimerik malzemelerin sentezi...54

3.2.1.1. Tek baskılı polimerik malzemenin sentezi...54

3.2.1.2. Çift baskılı polimerik malzemenin sentezi...54

Sayfa

3.2.1.3. Baskısız polimerik malzemenin sentezi...55

3.2.2. Baskılı polimerlerin karakterizasyonu...55

3.2.2.1. FTIR analizi...55

3.2.3. Adsorpsiyon-desorpsiyon çalışmaları...55

3.2.3.1. Adsorpsiyon...55

3.2.3.2. Desorpsiyon ve tekrar kullanılabilirlik...58

3.2.3.3. Önderiştirme...58

4. DENEYSEL SONUÇLAR...59

4.1. Baskılı Polimerin Karakterizasyonu...59

4.1.1. FTIR analizi………....59

4.1.1.1. Tek baskılı polimerik malzeme……….…..59

4.1.1.2. Çift baskılı polimerik malzeme………60

4.2. Cd (II) Baskılı Polimerik Malzemelerle Adsorpsiyon Çalışmaları...61

4.2.1. Sulu çözeltiden Cd (II) adsorpsiyonu...61

4.2.1.1. Adsorpsiyon denge zamanı...61

4.2.1.2. Adsorpsiyon kapasitesi...63

4.2.1.3. Adsorpsiyon izotermleri………...…64

4.2.1.4. Asorpsiyon kinetikleri modeli………..67

4.2.1.5. pH etkisi...72

4.2.2. Farklı metal karışımlarda adsorpsiyon çalışması...73

4.3..Desorpsiyon ve Tekrar Kullanılabilirlik...74

4.4. Önderiştirme...76

ĐÇĐNDEKĐLER DĐZĐNĐ (devam)

Sayfa 4.4.1. Sulu çözeltilerdeki Cd(II) iyonunun önderiştirme çalışmaları...76 5. SONUÇ,TARTIŞMA VE YORUM...78 6. KAYNAKLAR DĐZĐNĐ...81

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ

Şekil Sayfa 2.1. SPE’nın temel prensibi

(1)-MIP’ın kolona doldurulması işlemi, (2)-Örnekten analitin ayrılması (MIP tarafından tutulması) işlemi, (3)-Analiti uygun bir çözücü yardımıyla

kolondan uzaklaştırılması işlemi ………15

2.2. Katı faz ekstraksiyonunda kullanılan sorbentler………17

2.3. Moleküler baskılama tekniğinin şematik gösterimi...19

2.4. Đyon baskılama tekniğinin şematik gösterimi...21

2.5. Kovalent moleküler baskılama yönteminin şematik görünümü...23

2.6. Non-kovalent moleküler baskılama yönteminin şematik görünümü... 24

2.7. MIP’de kalıp-fonksiyonel monomer etkileşimleri (a) kovalent etkileşimi, (b) nonkovalent etkileşimi, (c) iyonik etkileşimi, (d)hidrofobik veya Van der Waals etkileşimi, (e) Metal-ligand etkileşimi...27

2.8. Atomik absorpsiyon spektrometresinin şematik gösterilişi 1. Işık kaynağı, 2. Atomlaştırıcı, 3. Monokromatör, 4. Dedektör, 5. Ölçme sistemi (a. Tek ışın yollu, alternatif akımlı, b. Çift ışın yollu, alternatif akımlı cihazlar)……….41

2.9. Oyuk katot lambası...42

2.10. Numune sisleştiriciler...44

2.11. Atomlaştırma sırasında oluşan süreçler...46

2.12. Ön-karıştırmasız alev başlığının şematik görünüşü...48

2.13. Ön-karıştırmalı alev başlığının şematik görünüşü...49

2.14.AlevinYapısı...49

4.1. Tek baskılı polimerik malzemenin FTIR spektrumu...59

4.2. Çift baskılı polimerik malzemenin FTIR spektrumu………...60

4.3. Tek ve Çift baskılı polimerlerin Cd (II) iyonları için adsorbiyon-denge zamanı değişimi...62

4.4. Tek ve Çift baskılı polimerlerin Cd(II) iyonları için konsantrasyon-adsorbiyon kapasitesi değişimi...63

xiv ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ(devam ediyor)

Şekil Sayfa

4.5. Tek baskılı polimerik malzemenin Langmuir Adsorpsiyon izotermi…………..……… 66

4.6. Çift baskılı polimerik malzemenin Langmuir Adsorpsiyon izotermi…………..……….66

4.7. Tek baskılı polimer için 1⁰ kinetik modelinin deneysel verileri………...69

4.8. Çift baskılı polimer için 1⁰ kinetik modelinin deneysel verileri………...70

4.9. Tek baskılı polimer için 2⁰ kinetik modelinin deneysel verileri………...70

4.10. Çift baskılı polimer için 2⁰ kinetik modelinin deneysel verileri……….71

4.11. Tek ve çift baskılı polimerlerin Cd(II) adsorpsiyonuna pH etkisi………...72

4.12. Tek baskılı polimerlerin adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsü………..75

4.13. Çift baskılı polimerlerin adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsü………..75

ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ

Çizelge Sayfa

2.1. MIP sentezinde kullanılan başlıca fonksiyonel monomerler...29

2.2. MIP sentezinde kullanılan başlıca çapraz bağlayıcılar...31

2.3. Bazı alev türlerinin özellikleri...47

2.4. Atomik absorbsiyon spektroskopisi yöntemi ile tayin edilebilen elementler ve dalga boyu değerleri...52

4.1. Langmuir Asorpsiyon Modelleri için izoterm sabitleri………..67

4.2. Tek ve çift baskılı polimerler için 1⁰ ve 2⁰ kinetik dizi sabitleri………71

4.3. Baskılamanın seçiciliğe etkisi……….74

4.4. Önderiştirme işlenin performansı………76

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ Simgeler Açıklama

g Gram cm Santimetre L Litre

ln e tabanında logaritma log Logaritma

M Molarite mg Miligram mL Mililitre mmol Milimol N Normalite s Saniye µL Mikrolitre nm Nanometre mmHg Milimetre Civa V Volt

ppb Milyarda kısım ppm Milyonda kısım

% Yüzde

° Derece Kısaltmalar Açıklama

AAS Atomik Absorpsiyon Spektrofotometresi FAAS Alev Atomik Absorpsiyon Spektrofotometresi TEOS Tetraetoksilan

APTS 3-aminopropiltrimetoksilan

MIP Moleküler Baskılanmış Polimerler SPE Katı Faz Ekstraksiyonu

IIP Đyon Baskılı Polimerler OKL Oyuk Katot Lambası PVC Polivinilklorür

EDMA Etilenglikol dimetakrilat DVB p-divinilbenzen

TMDMA Tetra metilen dimetakrilat AIBN Azobiisobutironitril BPO Benzoilperoksit

EDTA Etilendiamin tetra asetikasit dak Dakika

et al. Ve diğerleri vd. Ve diğerleri vb. Ve benzeri FTIR/IR Infraret

+

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ (Devam ediyor) Kısaltmalar Açıklama

H2O Su

HCl Hidroklorik asit HNO₃ Nitrik asit

A.B.D. Amerika Birlesik Devletleri UV Ultraviyole

vb. Ve benzeri vd. Ve diğerleri

1.GĐRĐŞ

Canlı yaşamının her evresini etkileyen ve toksik etkiye sahip olan ağır metaller, özellikle endüstriyel uygulamalarda fazlaca kullanılarak doğayı ve canlılığın devamını tehdit eder hale gelmiştir. Bu nedenle ağır metallerin ortamdan uzaklaştırılması zorunludur. Bu ağır metallerden biri de kadmiyumdur. Kadmiyum elementi, düşük erime noktalı alaşımlarda, yarı iletken olarak, televizyon tüplerinde, CdS sarı pigment olarak, PVC’lerde stabilizatör olarak ve Ni-Cd pillerinde kullanılmaktadır.

Kadmiyum karsinojenik ve mutajenik bir metaldir. Epidemolojik çalışmalar kadmiyumun prostat ve solunum yolu kanser riskini arttırdığını göstermiştir. Ayrıca hayvanlarda yapılan çalışmalarda kadmiyumun, üreme sistemi ve fonksiyonlarını etkilediği gözlenmiştir. Endüstriyel olarak maruz kalındığında, kandaki kadmiyum seviyesi için sınır değer 5 µg ⁄ L′ dir. Kronik kadmiyum zehirlenmelerine karşı özel bir tedavi mevcut değildir. Bununla beraber hemodiyaliz gibi destek tedavi yöntemleri geliştirilmiştir. Metal zehirlenmelerinde genellikle EDTA gibi şelatlayıcı ajanlar kullanılır. Ancak kalsiyum disodyumun EDTA′ nın toksisitesini arttırdığına dair histopatolojik deliller vardır.

Ağır metallerin endüstriyel atık sulardan uzaklaştırılabilmesi için değişik yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar arasında, çöktürme, buharlaştırma, iyon değişimi, elektroliz, ters ozmoz, adsorpsiyon vb yer almaktadır.

Kadmiyumun zararlı etkilerini önlemek için en yaygın kullanılan yöntemlerden biri adsorpsiyondur. Adsorpsiyon işlemlerinde katı faz sorbentleri de kullanılmaktadır.

Katı faz sorbentlerine örnek olarak; naftalin, silika, silika-jel, cam küreler, selüloz, poliüretan sünger, moleküler baskılı polimerler verilebilir (Rao et al., 2004).

Son yıllarda, moleküler baskılanmış polimerler öne çıkan birçok avantajı sayesinde ilgi odağı olmuştur. Bu avantajlar; önceden belirlenmiş tanıma özelliği, güçlülüğü, kolaylığı, hazırlık aşamasındaki düşük maliyeti, birçok hedef moleküle olan

potansiyel uygulanabilirliğidir. Moleküler baskılanmış polimerler, hedef moleküller için yüksek tanıma özelliği olan sentetik polimerlerdir. En yaygın kullanılan hazırlama tekniği; fonksiyonel gruplar içeren polimerleşebilen uygun monomerlerin, kalıp ya da başka bir deyişle hedef moleküle kovalent veya non-kovalent etkileşimlerle bağlanarak kompleks oluşturmasıdır. Monomer-kalıp kompleksi, uygun bir çapraz bağlayıcının da kullanılmasıyla fonksiyonel monomer üzerinden polimerleştirilir. Yapıda hedef molekülün yerini alacak boşlukların oluşturulması amacıyla, kalıp molekül polimerden uzaklaştırılır. Kalıp moleküle ait yapıdaki yuva meydana getirilir (Beekhuis, 1975).

Đyon baskılı polimerler aynı moleküler baskılanmış polimerlere benzerler. Hedef molekül olarak, metal iyonları kullanılmaktadır. Yani moleküler baskılanmış polimerlerin tüm özelliklerini taşımaktadırlar (Say, vd, 2003).

Literatürde az olmakla birlikte iyon baskılanmış polimerler ile ilgili önemli çalışmalar mevcuttur. Bijü ve arkadaşları Dy(III) (Biju, et al,2003), Garcia ve grubu Gd(III) (Garcia, et al, 1998), Kiaro ve ark. UO⁺² (II) (Kiaro, et al, 2001), Daniel ve ark.

Pd(II) (Daniel, et al, 2003), Kuchen, Birlik ve grubu Cu(II) (Kuchen, Schram, 1998)(Birlik vd, 2006), Zeng ve ark Pb(II) (Zeng, Murray 1996), Ersöz ve ark. Ni(II) (Ersöz vd, 2004), Chen ve grubu Zn(II) (Chen, et al, 1997)’yı iyon baskılanmış polimerlerle bu iyonları seçici olarak uzaklaştırma çalışması yapmışlardır. Bunlardan bazıları;

Metilda ve çalışma grubu, 5,7 diklorokinolin-8-ol ve fonksiyonel monomer olarak 4-vinilpiridin baskılayıcı olarak UO⁺² iyonunu divinil benzen ile çapraz bağlamışlardır.

Elde edilen iyon baskılanmış polimerde UO⁺², Th⁺⁴, Zr⁺⁴, Ni⁺², Fe⁺², Mn⁺², Co⁺² ve Cu⁺²’nın adsorpsiyon davranışlarını incelemişlerdir. Baskılayıcı olarak UO⁺² iyonu ile hazırlanmış iyon baskılanmış polimerin diğer metal iyonlarına kıyasla daha büyük adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğunu çalışmalarında göstermişlerdir (Metilda, et al, 2004).

Büyüktiryaki ve ark. metal iyonlarının seçiciliğini ve adsorpsiyon kapasitesini oldukça arttırabilecek, metilciva baskılı polimerik mikroküre hazırlamak amacı ile 2- metakroil-(L)-amidosistein ve metilciva klorürü belli derişimde etkileştirip etilenglikolmetakrilat ile çapraz bağlamışlar ve metilciva baskılanmış mikroküreleri dispersiyon polimerizasyon tekniği ile hazırlamışlardır. Elde edilen metilciva baskılanmış mikrokürelerin yapısını aydınlattıktan sonra adsorpsiyon-desorpsiyon, seçicilik, katı-faz ekstraksiyonu ve tekrar kullanılabilme özelliklerini incelemişledir.

Yaptıkları seçicilik çalışmasında baskılanmış mikrokürelerin baskılanmamış mikrokürelerle karşılaştırdıklarında Hg⁺², Zn⁺², Cd⁺², Cu⁺² ve Pb⁺² iyonlarına karşı sırasıyla 20.83, 17.9, 20.9, 39.2 ve 114 kat daha seçici olduğunu çalışmalarında göstermişlerdir (Büyüktiryaki vd, 2007).

Andaç ve arkadaşları çalışmalarında, iyon baskılı polimer sentezleyerek insan plazmasından yüksek dozdaki Cd(II) iyonlarının, seçicilik ile Cd(II) iyonlarını uzaklaştırmayı hedeflemişlerdir. Maximum adsorpsiyon kapasitesi 32,5 mmol olarak bulunmuştur. Baskılı taneciklerin gerçel seçicilik katsayıları, Cd (II)/ Pb(II), ve Cd(II)/

Zn(II) için 7,8 ve baskısız polimerlerde 1683 kere daha büyük olduğunu saptamışlardır (Andaç vd, 2004).

Dai ve arkadaşları ise; aminler ve sulfonik asitler gibi çok fonksiyonlu ligandları kullanarak, uranil iyonlarını uzaklaştırmak için mezoporoz adsorbanları hazırlamışlardır (Dai, 1999).

Son yıllarda, araştırmacılar çift baskılama yöntemi üzerinde durmuşlardır.

Literatürde sınırlı sayıda çalışma mevcuttur. Bunlardan bazıları;

Lu ve arkadaşları, sulu çözeltilerden Cd(II) iyonlarını seçici uzaklaştırmak için baskılı hibrit sorbentleri sentezlemişler ve Zn(II) iyonuna seçiciliğini araştırmışlardır.

Uzaklaştırma işlemini HCL ile gerçekleştirmişlerdir. Maximum adsorpsiyon kapasitesine 30 dak’da ulaşılmıştır. (Lu et al, 2004).

Birlik ve arkadaşları çalışmalarında, Cu(II) iyonlarını sentetik sulardan uzaklaştırmak için çift baskılı polimer sentezlemişlerdir. Cu(II) baskılı mikrotaneciklerin adsorpsiyon-desorpsiyon, seçicilik ve tekrar kullanılabilme özelliklerini incelemişlerdir. Baskılı taneciklerin seçicilik çalışmaları sonucunda, Cu(II)/Zn(II), Cu(II)/Ni(II), Cu(II)/Co(II) için 6, 16,4 ve 122.7 kat seçici olduğu tespit edilmiştir (Birlik vd, 2006).

Bizde çalışmamızda, tek ve çift baskılı polimerler sentezlenerek, katı faz ekstraksiyonu ile Cd(II) iyonlarının sulu çözeltilerden seçici olarak uzaklaştırılması amaçladık. Đlk aşamada, tek ve çift baskılı polimerler hazırlanmıştır. Tek baskılı polimer için, Cd(II) iyonları merkaptosilan ile reaksiyona sokulup TEOS (tetraetoksilan) ile çapraz bağlanmıştır. Çift baskılı polimer için ise; Cd(II) iyonları ile APTS kompleksleştirilmiş, merkaptosilan ilavesi ile karışım tepkimeye sokulmuştur.

Daha sonra polimerik tanecikler tetraetoksilan (TEOS) ile çapraz bağlanmıştır. Sonuç olarak tek ve çift baskılı polimerler kurutulup toz haline getirildikten sonra 0,5 M HNO3 çözeltisi ile uzaklaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen tek ve çift baskılı tanecikler, adsorbsiyon-desorpsiyon işlemlerinde kullanılmıştır. Tek ve çift baskılı polimerin maximum adsorpsiyon kapasitesi, optimum pH, adsorpsiyon denge süresi ve seçiciliği araştırılmıştır.

2.GENEL BĐLGĐLER

2.1. Kadmiyum Đyonu

2.1.1. Kadmiyum iyonu ve özellikleri

Ağır metaller, çeşitli kaynaklardan çevreye yayılmakta ve günümüzde çevre kirliliğinin önemli nedenlerinden birini oluşturmaktadır (Goyer, 1991). Bunlardan biri olan kadmiyum nispeten nadir bir elementtir ve doğada saf olarak bulunmaz.

Kadmiyum kelimesi Latin dilindeki cadmia ( calamine olarak bilinen) ve Yunan dilindeki kadmeia kelimesinden türemiştir. Kadmiyum metali, gümüşümsü gri renkte ve doğada doğal olarak ortaya çıkan bir elementtir. Oksijen, klorür ya da sülfür gibi diğer elementlerle birleşerek maden yapılarında bulunur. Bütün toprak ve kayalar, kömür ve gübre mineralleri dahil çeşitli konsantrasyon seviyelerinde kadmiyum içerir.

Kadmiyum, çinko üretimine eşlik eden metal olarak üretilmiştir. Çinko üretiminde ortaya çıkıncaya kadar havaya, yiyeceklere ve suya doğal süreçlerle önemli miktarlarda karışmamıştır. Ancak günümüzde kadmiyum da çevre kirliliğine sebep olan ağır metaller arasında yerini almıştır. Günümüzde kadmiyum endüstriyel olarak nikel/kadmiyum pillerde, korozyona karşı özellikle denizel koşullara dayanımı nedeniyle gemi sanayinde çeliklerin kaplanmasında, boya sanayinde, PVC stabilizatörü olarak, alaşımlarda ve elektronik sanayinde kullanılır. Kadmiyum empürüte olarak fosfatlı gübrelerde, deterjanlarda ve rafine petrol türevlerinde bulunur ve bunların çok yaygın kullanımı sonucunda da önemli miktarda kadmiyum kirliliğine sebep olur.

Kadmiyum diğer ağır metallerle içinde suda çözünme özelliği en yüksek olan elementtir. Bu nedenle doğada yayınım hızı yüksektir ve insan yaşamı için gerekli elementlerden değildir. Suda çözünebilir özelliğinden dolayı Cd(II) halinde bitki ve

deniz canlıları tarafından biyolojik sistemlere alınır ve akümle olma özelliğine sahiptir.

Đnsan vücudundaki Cd(II) seviyesi ilerleyen yaşla beraber artış gösterir ve genellikle 50’

li yaşlarda maksimum seviyesine ulaştıktan sonra azalmaya başlar. Yeni doğmuş bebeklerde hiç kadmiyum bulunmaz ve kadmiyum, kurşun ve cıvanın aksine plasenta ya da kan yoluyla anne karnındaki bebeğe geçmemektedir. Normal olarak vücudumuzda 40 mg’ a kadar kadmiyum bulunabilmektedir ve günlük olarak da 40 µg’a kadar kadmiyum vücuttan atılabilir. Bu seviyeler, kadmiyumun çoğunu topraktan yani yiyecekler yoluyla alması nedeniyle bölgelere göre değişiklik gösterebilmektedir.

Yiyecekler yoluyla alınan kadmiyumun yanı sıra su boruları yoluyla, sigara dumanı ve endüstriyel metal üretimi sonucu çıkan fabrika atıkları da diğer önemli kadmiyum kaynaklarıdır. Endüstri bölgelerinde havadaki kadmiyum oranı kırsal alanlara oranla çok daha yüksektir (www.epa.gov/epaoswer/hazwaste/minimize/cadmium.pdf).

Kadmiyumun önemli bir kirletici olmasının nedeni ise; çok düşük dozlarda bile toksik olması ve biyolojik yarı ömrünün uzun olmasıdır (Tarazona, et al, 1996).

Kadmiyumun kullanıldığı fabrikalara yakın yerlerde yaşayanlarda ve metal rafinasyon endüstrisinde çalışan insanlar yüksek miktarda kadmiyuma maruz kalmaktadırlar.

Đnsanlar kadmiyumu soluduklarında, ciddi olarak akciğerlere zarar verebilir ve hatta ölümlere bile neden olabilir.

Kadmiyumun çeşitli fizyolojik etkilerinin olduğu bazı araştırmacılar tarafından belirtilmektedir (Goyer, 1991). Bunlar arasında, kadmiyumun kan parametrelerinde, enzim aktivitelerinde ve karaciğer fonksiyonlarında değişimlere neden olması sayılabilir (Sato, et al, 1983). Ayrıca böbrek bozuklukları ile itai-itai olarak bilinen kemik hastalığına da neden olmaktadır (Sohal, et al, 1990). Bazı çalışmalarda ise;

kadmiyumun, mutajenik, karsinojenik ve teratojenik etkilerinin olduğu belirtilmiştir (Uysal, 1997).

Đnsanların kadmiyuma maruz kalmaları genellikle sigara dumanı ve besin alımı ile olmaktadır. Sigara içildiğinde alınan yüksek miktarda kadmiyum tütün dumanı ile akciğerlere taşınır. Kan ile de vücudun diğer kısımlarına taşınır. Vücudun bu

kısımlarında toksik etkiye neden olabilir. Kadmiyumun birçoğu bitkilerden gübre ile, lağım birikintilerinden ve atmosferik kirlenmeden ileri gelmektedir. Sürekli maruz kalındığında, çok küçük ölçeklerde bile olsa kadmiyum böbreklerin çalışmasını durdurabilir. Bununla beraber yüksek dozlarda alındığında solunum sistemi bozukluklarına ve kemik hastalıklarına sebep olur (Sergio , et al).

Kumada ve arkadaşları (1980) gökkuşağı alabalığında kadmiyum birikimi ve biyolojik etkilerini araştırmışlardır. Bu araştırma sonucunda kadmiyumun alabalıklarda en fazla karaciğerde, böbreklerde ve solungaçlarda biriktiğini tespit etmişlerdir (Kumada, vd, 1980).

Houston ve arkadaşları (2000) kadmiyumun zararlı etkilerini araştırmışlar ve kadmiyumun goldfish ve Carassius auratus türü balıkların kırmızı hücre oluşumunu engellediği belirtmişlerdir (Houston, et al, 2000).

Koyama ve arkadaşları (1984) çeşitli konsantrasyonlarda Cd (II) içeren ortamlarda tutulan sazan Cyprinus carpio, balıklarının hematolojik değişimlerini incelemişlerdir. Bu denemeler sonucunda hemoglobin konsantrasyonu ve hematokrit değerinin önemli ölçüde düştüğü, balıkların anemik belirti gösterdikleri ve karaciğer dokusunda tahribatın meydana geldiği gözlemlenmiştir (Koyama, Ozaki, 1984).

Larson ve arkadaşları, kadmiyumun düşük seviyelerine maruz kalan Perca fluviatilis türü balıklarda normastik ve normokromik anemi gözlemlemişlerdir. (Larson, et al, 1985).

2.1.2. Kadmiyum iyonunun reaksiyonları

2.1.2.1.Hava ile reaksiyonu

Kadmiyum metalinin havadaki oksijen ile yanmasıyla kadmiyum (II) oksit oluşturur.

2Cd(k) + O2(g)
2CdO(k)

2.1.2.2.Su ile reaksiyonu

Kadmiyum metali su ile reaksiyon vermez.

2.1.2.3.Halojenler ile reaksiyonu

Cd(k) + F₂(g)
CdF2(k) (beyaz)

Cd(k) + Br₂(g)
CdBr2(k) (açık sarı)

Cd(k) + I₂(g)
CdI2(k) (beyaz)

2.1.2.4.Asit ile reaksiyonu

Kadmiyum metali seyreltik sülfürik asit içerisinde çözünerek çözeltide Cd(II) iyonu ve hidrojen gazı üretir. Çözeltide kadmiyum [Cd(OH₂)₆]²⁺ kompleksi halinde bulunur.

Cd(s) + H₂SO₄(aq)
Cd²⁺(aq) + SO₄^2-(aq) + H₂(g)

Kadmiyumun nitrik asit gibi yükseltgen asitlerle verdiği reaksiyon sonucunda kompleks oluşturması özel şartlar altında gerçekleşir.

2.1.2.5.Baz ile reaksiyonu

Kadmiyum metali sulu alkali çözeltiler (KOH) içerisinde çözünmezler (www.kimyaevi.org).

2.1.2.6.Đndirgenme potansiyeli:

2.1.3. Kadmiyum Đyonunun Uzaklaştırılması

Ağır metallerin endüstriyel atık sulardan uzaklaştırılabilmesi için değişik yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar arasında, çöktürme, buharlaştırma, iyon değişimi, elektroliz, ters ozmoz, adsorpsiyon vb yer almaktadır.

Kadmiyumu uzaklaştırmak oldukça zordur çünkü ağır metalleri uzaklaştırmakta kullanılan çöktürme gibi geleneksel metodlar hem çok pahalı hem de düşük çözünürlükte olduğundan su israfına yol açmaktadır. Bu yol ile adsorbsiyon metodu düşük çözünürlükte bile kadmiyumu uzaklaştırmakta etkisiz kalmaktadır. Şimdiye kadar kadmiyum adsorbsiyonu hakkında araştırmalar yapılmıştır ve ilgi düşük maliyetli, etkili adsorbanlara odaklanmıştır. Düşük maliyetli geleneksel olmayan adsorbanlardan biri olan kırmızı çamur, ucuz olan ağır metal uzaklaştırılmasında adsorban olarak geniş çaplı çalışılmıştır. Ve kırmızı çamur özel termal ve kimyasal işlem geçirdikten sonra yüksek derecede kadmiyumun uzaklaştırılmasına olanak sağlamıştır (Chunlei, et al).

Zheng va arkadaşları çalışmalarında, hurma atığını, adsorpsiyon yöntemiyle sulu çözeltilerden kadmiyum ve bakır iyonunu uzaklaştırmak için kullanmışlardır.

Denge zamanı, pH dengesi, adsorbsiyon kapasitesi, konsantrasyon değişimleri incelenmiştir. Maximum adsorpsiyon kapasitesine pH 5.6’da ulaşılmıştır. Adsorpsiyon denge zamanı ise 60 dak. olarak bulunmuştur. pH 5.6’da tekli metal sistemi için denge adsorpsiyon dataları, Langmuir, Freunlich ve D-R izoterm modelleri ile tanımlanmıştır.

Adsorpsiyon izoterm çalışmalarında metal iyonlarının adsorpsiyon davranışları kadmiyum için 1,12 mg/g, bakır için 2.84 mg/g olarak bulunmuştur. Freundlich empirik sabiti, K, kadmiyum için 1.086, bakır için 1.119 olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon- desorpsiyon çalışmaları göstermiştir ki; kadmiyum ve bakır HNO₃ çözeltisi kullanılarak sulu çözeltilerden kolaylıkla uzaklaştırılabilir (Zheng, et al, 2008).

Andaç ve arkadaşları çalışmalarında, iyon baskılı polimer sentezleyerek insan plazmasından yüksek dozdaki Cd(II) iyonlarını seçiciliği kullanarak uzaklaştırmayı hedeflemişlerdir. Maximum adsorpsiyon kapasitesi 32,5 mmol olarak bulunmuştur.

Baskılı taneciklerin seçicilik katsayıları, Cd (II)/ Pb(II) ve Cd(II)/ Zn(II) için 7,8 ve baskısız polimerlerden 1683 kere daha büyük olduğunu saptamışlardır (Andaç vd, 2004).

Lu ve arkadaşları, sulu çözeltilerden Cd(II) iyonlarını seçici uzaklaştırmak için baskılı hibrit sorbentleri sentezlemişlerdir. Zn(II) iyonuna seçiciliğini araştırmışlardır (Lu et al, 2004).

Copello ve arkadaşları, bisorbent olarak immobilize kitosan kullanarak sulu çözeltilerden Cd(II), Cr(III) ve Cr(VI)’yı uzaklaştırmayı hedeflemişlerdir. Biosorbent silikat-kitosan kompozitin jenerasyonları çalışılmış ve Cd(II), Cr(III) ve Cr(VI)’ın uzaklaştırılmasındaki kapasitesine bakılmıştır. Materyallerin karakterizasyonu için SEMI, EDAX ve ATR-IR teknikleri kullanılmıştır. Cd(II) ve Cr(III) için pH 7’de, Cr(VI) için en iyi adsorpsiyon kapasitesi pH 4’de sağlanmıştır. Dengede Langmuir ve Freundlich izotermleri kullanılmıştır (Copello, et al, 2008).

Chen ve çalışma grubu ise; atık sulardan kadmiyumu uzaklaştırmayı hedeflemişlerdir. Tarımsal atığın bir çeşidi olan Lentinus edod mantarı bu çalışmada atık sulardan kadmiyumun uzaklaştırılması için etkili bir biosorbent olarak kullanılmıştır. Adsorpsiyon koşulları, pH, biokütlenin miktarı ve kadmiyumun başlangıç konsantrasyonu ile incelenmiştir. Biosorpsiyonun Langmuir uyarlaması göstermiştir ki, kadmiyumun maximum adsorpsiyonu 5,58 mmol/g düşük asidik konsantrasyonda elde edilmiştir. Bu durumda Lentinus edod diğer biosorbentlerden daha uygundur (Chen, et al, 2008).

Garg ve arkadaşları çalışmalarında; tarım atık biyokütlelerinde adsorpsiyon yöntemiyle sulu çözeltilerden Cd(II) iyonunu uzaklaştırmayı hedeflemişlerdir. Cd(II) iyonunu uzaklaştırmak için başlangıç iyon derişimi, pH ve adsorbans miktarları incelenmiştir. pH 2-7 aralığında, adsorbent miktarı 250-2000 mg, Cd(II) konsantrasyonu 5-500 ppm aralığında çalışılmış ve denge zamanı 60 dak olarak bulunmuştur (Garg, et al, 2008).

2.2. Katı Faz Ekstraksiyonu

Katı- faz ekstraksiyonu (SPE) kompleks matriks ortamında ya da düşük derişimdeki analitin analizinde yaygın olarak kullanılan önderiştirme ve ayırma tekniğidir. Bu tekniğin temeli sulu fazdan komşu katı fazdaki aktif bölgelere analitlerin transferi esasına dayanır. Katı faz daha sonra örnek ortamından uzaklaştırılarak elüsyon ile analitler geri kazanılır.

Katı faz ekstraksiyonu tekniği ile ilk olarak 1970’lerin ortasında tanışılmış, 1978 yılında ticari olarak hazır hale getirilmiştir. Şimdilerde ise katı faz ekstraksiyonu kasetleri ve diskleri gibi birçok malzemeler geliştirilmiştir. Katı faz ekstraksiyonunda sorbent seçimi önemlidir. C-18 bağlı silikalar ve stiren/divinil benzen kopolimerler en sık kullanılanlardır. Bu teknolojiye geniş olarak su örneklerinde başvurulur (Piko, et al, 2000, De La Pena,et al,2003). Sorbentler inorganik-bazlı olanlar [silika jel (SiO2), alümina (Al2O3), magnezia (MgO) ve diğer oksit türleri], organik bazlı olanlar [doğal polimerler olduğu kadar sentetik polimerler, iyon baskılı polimerler], inorganik-organik hibrit materyaller [C18-silika] olarak sınıflandırılabilir.

Seçici katı fazların kullanımı, moleküler baskılanmış polimerler gibi, onların özellikleri nedeniyle tercih edilebilirdir (Senseman, et al, 2003, Caro, et al, 2003).

Sonuç olarak katı faz ekstraksiyonu, hızlı ve basit olması, katı fazın kararlı olması ve tekrar kullanılabilmesi, yüksek deriştirme faktörü elde edilmesi, az miktarda çözücü kullanılması ve ucuz olmasından dolayı yaygın kullanılır (Büyüktiryaki, 2005).

SPE son zamanlarda farmakolojik, klinik, endüstriyel, çevre işleriyle uğraşan sektörlerde yaygın olarak kullanım alanı bulmaktadır (Pool, 2003). Silika jel veya silika membran diskler (Shamsipur, et al, 2005, Soliman, et al, 2005), aktif karbon, iyon değiştirici reçineler (Bae, et al, 1999, Swain, et al, 2000), selülozik türevler, polistren- divinilbenzen esaslı adsorbanlar, poliürtan polimerler, şelatlaştırıcı reçine (Martin, 2001), şelatlaştırıcı fiber (Chang, et al, 2001), naftalin ve moleküler baskılanmış polimerler (Masque, et al, 2002, Sellergren, 1999) gibi bazı farklı katı destekler seçilen

şelatlaştırıcı reaktiflerin fiziksel yüklenmesi ile yada kimyasal bağlanması ile eser miktardaki metale seçici katı faz destekler hazırlanabilir. Herhangi bir sabit fazla doldurulan SPE kolonlarında başlıca sorun tutunma mekanizmasının seçiciliğin düşük olmasıdır. Đstenen seviyede seçicilik elde etmek için kolonun doldurulmasında MIP kullanılabilir. Katı faz ekstraktın ya da önderiştiricisinin seçiciliği immobilize edilen organik bileşiğin yapısına, birleşen donor atomların doğasına (O, N, P ve S), katı fazın yüzeyindeki fonksiyonel grupların pozisyonuna ve arzu edilen metal iyonu alındıktan sonra oluşan kompleksin sterik koşuluna bağlıdır. Bazı fonksiyonel grup atomları eser elementlerin şelatlaştırılmasına yatkındır. Bu atomlar genellikle azot (aminler, azo grupları, amitler, nitrillerdeki N), oksijen (karboksilik asit, hidroksil, fenolik, eter, karbonil, fosforil gruplarındaki O) ve sülfür (tiyol, tiyokarbamat, tiyoeterlerdeki S)’dür.

Fonksiyonel grubun doğası eser elementlere ligandın seçiciliği hakkında bilgi verir.

Đnorganik katyonlar 3 gruba ayrılabilir:

Grup I-Sert katyonlar: Bu grup alkali ve toprak alkali metallerini içerir ve sadece sert oksijen ligandları ile kompleks oluşturur.

Grup II-Sınır katyonlar: Fe²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺ ve Mn²⁺ gibi elementler sınır karakterdedirler ve hem sert hem de yumuşak ligandlara afinite gösterirler.

Grup III-Yumuşak katyonlar: Cd²⁺ ve Hg²⁺ orta seviyedeki azot ve yumuşak sülfüre karşı kuvvetli afinite gösterir.

MIP’ın ilk olarak katı-faz ekstraksiyonunda kullanımı oldukça yeni bir yaklaşım olup ilk defa Sellergren ve çalışma arkadaşları tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu grup çalışmalarında, idrar örneğinden pentanamitin ekstraksiyonunu seçici bir şekilde ayıran moleküler baskılanmış polimerler hazırlamışlardır. Daha sonra bir çok grup çeşitli matriks ortamından farklı analitleri ayırmak için MIP hazırlayarak katı-faz ekstraksiyonunda kullanmışlardır. MIP’ın SPE’de kullanılma dezavantajlarından biri baskılanan analit molekülünün zor uzaklaştırılmasıdır. Yıkama ve elüsyon basamakları seçiciliğin optimizasyonu için en önemli adımdır (Masque, et al, 2002, Sellergren, 1999). SPE’nu üçe ayırmak mümkündür (Huck, Bonn, 2000).

1- Katı-faz ekstraksiyonu için kolon teknolojisi 2- Katı-faz ekstraksiyonu membran teknolojisi

3- Katı-faz ekstraksiyonu mikroekstraksiyon teknolojisi

Moleküler baskılanmış polimerler, katı faz ekstraksiyonu ile üç farklı baskılama tekniği ile ve hazırlık için farklı metotlar ile sentezlenebilir. Moleküler baskılanmış polimerlerin hazırlanması için en geniş kullanılan teknik non-kovalent baskılamadır (Sellergren, 2001). Bu prosesde, kompleks şablonu ve fonksiyonel monomerler non- kovalent etkileşimle birbirini etkileyerek biçimlenir, hidrojen bağı, elektrostatik güçler, Van der Waals etkileri veya hidrofobik ilişkiler gibi. Bu non-kovalent baskılama birkaç avantajı, kolay monomer kompleksi hazırlama ve polimerden kolay uzaklaştırma, moleküler baskılanmış polimerlere hızlı bağlanma ve bunların hedef moleküllere muhtemel uygulamasını içerir (Komiyama, et al, 2003). Diğer teknik moleküler baskılanmış polimerlerin hazırlanması için kovalent baskılamadır. Kompleks, fonksiyonel monomer ve polimerizasyon öncesi yapının kovalent bağlantısı oluşturulur.

Uzaklaştırmadan sonra yapı kimyasal reaksiyon ile uzaklaştırılır. Bu tekniğin en önemli avantajları monomer/yapı kompleksleri stokiyometrik ve dengede olması ve polimerizasyon durumlarının farklılıklarının kullanılabilir olmasıdır (Wulff, et al, 1972).

Yazık ki monomer/yapı komplekslerinin sentezi zahmetli ve daha az ekonomiktir.

Ayrıca ayrılma yavaştır ve yapıya bağlanma kısıtlıdır (He, et al, 2007). Üçüncü teknik ise kovalent ve non-kovalent baskılamanın birleşimidir. Bu semi-kovalent baskılama olarak bilinir. Bu teknikte polimerlerin hazırlanması kovalent baskılamaya benzerken, konuk bağlanmada non-kovalent etkileşimleri kullanılır (Whitcombe, et al, 1995).

Bundan dolayı semi-kovalent baskılama, kovalent ve non-kovalent tekniklerinin önemli avantajlarını bünyesinde birleştirir. Dengede olma ve stokiyometrik kompleks oluşu kovalent baskılamadan, hızlı konuk bağlanması non-kovalent baskılamadan gelir (He, et al, 2007). Şekil 2.1’de SPE’nın temel prensibi verilmiştir.

Şekil 2.1. SPE’nın temel prensibi:(1)-MIP’ın kolona doldurulması işlemi, (2)-Örnekten analitin ayrılması (MIP tarafından tutulması) işlemi, (3)- Analiti uygun bir çözücü yardımıyla kolondan uzaklaştırılması işlemi

Birkaç polimerizasyon metodu moleküler baskılanmış polimer taneciklerini katı faz ekstraksiyonu için hazırlamada kullanılabilir. Geleneksel polimerizasyonlar çok geniş olarak moleküler baskılanmış polimerlerin hazırlanmasına benzerdir. Tipik olarak yapının karmaşık reaksiyonu, fonksiyonel monomerler, bağlanma işlemi, başlatıcı ve çözelti bir tüpe eklenir. Karışım azot ile temizlenir, oksijen uzaklaştırılır ve tüp vakum altında işaretlenir. Polimerizasyondan sonra uygun koşullar altında moleküler baskılanmış polimer tanecikleri öğütülür, elenir ve seri şekilde tekrarlanarak tamamlanır. Metotta bu takım işlemler basit bağlantılı sentezler için ve reaksiyon durumlarının kolay kontrolü için yapılır. Ne yazık ki bu taneciklerin kromotografik performansları genellikle tatmin edilmeyen dengesiz büyüklük ve hacimler oluşturur.

Bu yüzden işlemler sıkıcıdır ve zaman kaybına neden olur. Moleküler baskılanmış polimerlerin düşük özellikleri, onların endüstriyel ürün oluşunu engeller ve sadece analitik laboratuarlarda kullanımına olanak sağlar (Martin, Esteban, 2001).

Çok basit bir yöntem olmasına rağmen, çökelek çözünürlüğünün az olması, çok az çökelek oluşması gibi kısıtlayıcı yönleri vardır. Sıvı-sıvı ekstraksiyonu yaygın olarak kullanılan önderiştirme yöntemlerinden biridir. Katı-faz ekstraksiyonu ile yer değiştirmiştir (Rao, et al, 2004). Bunun nedeni katı-faz ekstraksiyonun hızlı, basit, kararlı olması, katı fazın tekrar kullanılanabilmesi, yüksek önderiştirme faktörü elde edilmesi, az miktarda çözücü kullanılması ve ucuz olması gibi avantajlara sahip olmasından kaynaklanmaktadır (Huck, Bonn, 2000).

Katı faz sorbentleri; inorganik-bazlı olanlar [silika jel (SiO2), alümina (Al2O3), magnezyum oksit (MgO) ve diğer oksit türleri], organik bazlı olanlar [doğal polimerler olduğu kadar sentetik polimerler, iyon baskılı polimerler], inorganik-organik hibrit materyaller [C18-silika] olarak sınıflandırılabilir (Rao, et al., 2006). Şekil 2.1.’de katı faz ekstraksiyonunda kullanılan sorbentler gösterilmiştir.

Şekil 2.2. Katı faz ekstraksiyonunda kullanılan sorbentler (Rao et al., 2006).

2.3. Moleküler Baskılama

2.3.1. Moleküler baskılama ve tarihçesi

Moleküler baskılama kavramı oldukça eski bir kavram olup ilk defa 1894’de Fischer’in enzim-substrat etkileşimini ortaya koyan ünlü’’Anahtar-Kilit’’ modelini ortaya atmasıyla birlikte konuyla ilgili modern fikirler ortaya çıkmaya başlamıştır.

Daha sonra 1931 yılında Polyakov sodyum silikat çözeltisinin asitlendirilmesi ile jelimsi silika polimerin kuruması sonucunda sert bir matriks elde etmiş, kuruma süresince benzen, toluen, ksilen varlığında gözenek yapısına etkisini incelemiştir (Polyakov, 1931). Polyakov bundan sonraki çalışmalarında seçici moleküler tanıma yüklü

modifiye edilmemiş

destek

inorganik

organik

doğal

sentetik

polimerik

Non- polimerik

SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, MgO

selüloz, dekstran

lifli malzemeler, köpük plastikler, baskılanmış moleküller

karbon

(aktifleştirilmiş, grafitleştirilmiş), naftalin,

fonksiyonel

konusunda araştırmalar yapmış ve seçiciliğin katkı maddesinin kimyasal yapısının sonucu olarak yapısal değişikler oluşturduğunu belirtmiştir. Baskılama işleminin en önemli basamaklarından biride baskılanan molekülün ekstraksiyonudur. Ekstraksiyon esnasında baskılanan silikanın seçiciliği kaybolabileceği için silika tamamen kuruduktan sonra ekstraksiyon yapılması gerekmiştir (Polyakov, 1933, 1937). Dickey boyaları metonolle yıkayarak ekstrakte etmiş, fakat daha sonra Morrisson tarafından yapılan çalışmalarda silikalardan boyaları uzaklaştırmak için Dickey’in metodunun yeterli olmadığı görülmüş ve su yada sulu HCI ile yıkama yapılmıştır. Bununla birlikte, metonolle soxhlet ekstraksiyonundan sonra HNO3 ve H2O2 karışımı ile ekstraksiyon edilmesi daha etkili sonuç vermiştir (Dickey, 1955).

1955 yılında Haldeman ve Ermmett Dickey bu işlemi tekrar yapmışlar ve silika ile boya arasındaki etkileşimin hidrojen ve Van der Wals bağları ile olduğunu belirtmişlerdir. Waksmundzki çeşitli çözücülerle baskılanan molekül ile silika arasındaki bağlanmayı araştırarak, tanıma işleminin elektrostatik etkileşimlerle olduğunu desteklemiş ve adsorpsiyon derecesi ile çözücünün dielektrik sabitinin ters orantılı olduğunu belirtmiştir. Waksmundzki baskılanmış molekülün toplam yüzey alanına etkisinin az, fakat mikro gözeneklerin büyüklüğü ile baskılanan molekülün büyüklüğünün orantılı olduğunu bulmuştur (Heldeman, 1955, Waksmundzki, 1958).

Curti ve Kolombo ise baskılamada steroseçiciliği göstermişlerdir (Sellergren, 2001).

1970 yılında, Gunter Wulff ve çalışma arkadaşları genel baskı yapma olasılığı veya arzu edilen hedef moleküldeki ‘baskılamayı’ gündeme getirdiler. O zamandan beri kimyagerler, baskı etrafında kendilerini oluşturacak doğru yapı bloklarını meydana getirmeye ve daha sonra baskıyı yapıdan serbest bırakacak malzemeleri bulmaya çalışmaktadırlar ( Bradley, 1994 ).

2.3.2. Moleküler baskılama teknolojisi

Moleküler tanıma temeline dayanan ayırma sistemleri arasında "Moleküler Baskılama" yöntemi ile hazırlanan taşıyıcılar, hedef moleküle olan yüksek seçicilikleri nedeniyle oldukça büyük önem taşımaktadırlar. Đlk defa 1972’de Günter Wulff ve çalışma grubu tarafından tanımlanan moleküler baskılama yöntemi, sentetik polimerlerde fonksiyonel grupların üç boyutlu yapılarının düzenlenmesiyle, oldukça seçici bağlanma bölgeleri elde etmek amacıyla kullanılmıştır. Daha sonra yapılan çalışmalar istenilen enzim tepkimelerinin substratlarını, ürünlerini veya geçiş analoglarını kalıp molekül olarak kullanarak bu yöntemle "YAPAY ENZĐM" elde edilebileceğini göstermiştir. Antikor gibi biyoreseptörler, yüksek seçicilikleri nedeniyle spesifik antijenlerini saflaştırmada popüler ligandlardır. Fakat yüksek seçiciliği olan bu biyolojik moleküller ortam şartlarından kolay etkilenirler ve protein yapıları asidik şartlarda, yüksek sıcaklıklarda ya da proteolitik aktivite sonucunda denatüre olur. Antikor/antijen ya da enzim/substrat gibi biyolojik sistemlerin tanıma mekanizmasını polimerik yapılara aktaran teknik ‘’Moleküler Baskılamadır’’

Şekil 2.3. Moleküler baskılama tekniğinin şematik gösterimi

Kalıp molekül

non-kovalent oluşum

Kovalent oluşum

Liganddeğişimi

Çaprazlamayla polimer oluşumu

Yuva oluşumu

Kalıp molekülü uzaklaştırma

ayrılma bağlanma

Şekil 2.3’de görüldüğü üzere olaylar şu şekilde özetlenebilir; fonksiyonel gruplar içeren polimerleşebilen uygun monomerler, kalıp ya da başka bir deyişle hedef moleküle kovalent veya non-kovalent etkileşimlerle bağlanarak kompleks oluşturur.

Monomer-kalıp kompleksi, uygun bir çapraz bağlayıcının da kullanılmasıyla fonksiyonel monomer üzerinden polimerleştirilir. Yapıda hedef molekülün yerini alacak boşlukların oluşturulması amacıyla, kalıp molekül polimerden uzaklaştırılır.

Kalıp moleküle ait yapıdaki yuva meydana getirilir.

Moleküler baskılama yöntemi yaklaşımı temel olarak, fonksiyonel monomer ile kalıp molekül arasında oluşan bağın çeşidine göre ikiye ayrılır: Bu yaklaşımlardan biri ilk kez 1970’lerin başlarında Dusseldorf Üniversitesinden Gunter Wulf ve arkadaşları tarafından genel baskı yapma olasılığı veya hedef moleküldeki baskılama olarak gündeme getirilmiştir. Bu yaklaşım kendi adıyla da anılan Wulf yaklaşımı, yani kovalent yaklaşım olarak da adlandırılmaktadır. Kovalent yaklaşımda bir ön organizasyon gerektirir. Polimerizasyondan önce baskılanacak molekül ile fonksiyonel monomerler arasında kuvvetli, tersinir bir kovalent düzenleme gerektirir (Beekhuis, 1975).

Diğer yaklaşım Mosbach yaklaşımı olarak da adlandırılmaktadır. Bu yaklaşımda sıvı fazdaki kompleks kendiliğinden oluşur ve bir çapraz bağlayıcı ile polimerleştirilir, bu yaklaşımda kovalent bağlanma yerine kalıp molekül ve fonksiyonel monomerler arasında hidrojen bağları, hidrofobik etkileşimler, Van der Waals etkileşimleri ve iyonik gruplar arasında gerçekleşen Coulomb etkileşimleri gibi etkileşimlerini içerisine alan kovalent olmayan yaklaşımlardır (Idziak, et al, 2001).

2.3.3. Đyon baskılama

Baskılı çapraz-bağlı polimerler sentezinde metal katyonlar baskı olarak görev yapabilirler. Đyon baskılama, moleküler baskılamaya benzer. Hedef molekül olarak iyon kullanılabilir.

Şekil 2.4. Đyon baskılama tekniğinin şematik gösterimi. (Huiqi Zhang, Lei Ye and Klaus Mosbach, ‘ Non-covalent molecular imprinting with emphasis on its application in separation and drug developmenty’ J.

Mol. Recognit. 2006; 19: 248–259)

Şekil 2.4’de görüldüğü gibi; metal iyonunun baskılanmasında, metal katyonu fonksiyonel monomer ile karıştırılarak kompleks oluşumu sağlanır. Çapraz bağlayıcı ile kopolimerizasyon gerçekleştirildikten sonra metal iyonu asidik çözeltiler yardımıyla uzaklaştırılır. Baskılanan molekülde seçici yuvalar oluşur ve bağlanma analit büyüklüğü ve şekliyle uyumludur (Baghel, et al, 2007).

Birlik ve arkadaşları (2007) yapmış oldukları çalışmalarında; Cr (III) ve Cr (VI) iyonlarına seçici yuvalara sahip polimerik sorbentlerle sentetik sulardan krom iyonlarını uzaklaştırılmayı hedeflemişlerdir. Cr (III)-baskılı polimerler iyon baskılama tekniğine göre hazırlanmıştır. Cr(III)- baskılı sorbentlerin adsorpsiyon kapasitelerine etkisi, krom iyonun başlangıç derişimi, ortamın pH etkileri ve adsorpsiyon denge süresi incelenmiştir. Ayrıca Cr(III)-baskılı polimerlerin Co(II), Ni(II), Cr(VI) ve Cr(III) iyonlarına seçicilikleri araştırılmıştır (Birlik, vd, 2007).

Kompleks formasyonu

Polimeri- zasyon

Uzak- laştırma

Bağ- lama

Yüzey moleküler baskılama ilk kez bir iyon seçici polimerik membranının hazırlığında kullanılmıştır. Kosuke ve arkadaşları da , metal iyon seçici membranı, yüzey moleküler baskılama ile hazırlamışlardır (Kosuke, et al, 1990).

Fujiwara ve arkadaşları çalışmalarında, yoğunlaştırılmış fosfat baskılı yapılar üzerinde çalışmışlardır (Fujiwara, et al,2003). Başka bir çalışmalarında da yüzey baskılama polimerizasyon yöntemi ile demir-siyanit anyon baskılı mikroküreler hazırlamışlardır. Demir-siyanit baskılı mikrokürelerin baskısız mikrokürelerden 200 kat daha seçici olduğunu tespit etmişlerdir(Fujiwara, et al,2000).

Anuradha ve arkadaşları bakırın seçici tanınması için metal iyon baskılı nano gözenekli polimerin sentez ve karakterizasyonu üzerinde çalışmışlardır. Yararlanılan metal iyon baskılı polimerler hedef metal iyonu için yüksek seçiciliğinden dolayı değişik alanlardaki önemini göstermişlerdir (Baghel, et al, 2007).

Feng ve arkadaşlarının çalışmasında atık sularda ağır metallerin uzaklaştırılması için silika çekilerek hazırlanmış gözenekli yapı kullanılmıştır. Atık suların iyileştirilmesinde yeni biyosorbentin etkisini değerlendirmek için bakır iyonunu, Cu²⁺, model metal iyon olarak seçmişlerdir. Baskılanmış kompozit çözelti Cu²⁺’nın adsorpsiyonu için hızlı kinetikler sunmuştur (Feng, et al, 2000).

Metilda ve çalışma grubu, 5,7 diklorokinolin-8-ol ve fonksiyonel monomer olarak 4-vinilpiridin baskılayıcı olarak UO⁺² iyonunu divinil benzen ile çapraz bağlamışlardır.

Elde edilen iyon baskılanmış polimerde UO⁺², Th⁺⁴, Zr⁺⁴, Ni⁺², Fe⁺², Mn⁺², Co⁺² ve Cu⁺²’nın adsorpsiyon davranışlarını incelemişlerdir. Baskılayıcı olarak UO⁺² iyonu ile hazırlanmış iyon baskılanmış polimerin diğer metal iyonlarına kıyasla daha büyük adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğunu çalışmalarında göstermişlerdir (Metilda, et al, 2004).

Büyüktiryaki ve arkadaşları, metal iyonlarının seçiciliğini ve adsorpsiyon kapasitesini oldukça arttırabilecek, metilciva baskılı polimerik mikroküre hazırlamak

amacı ile 2-metakroil-(L)-amidosistein ve metilciva klorürü belli derişimde etkileştirip etilenglikolmetakrilat ile çapraz bağlamışlar ve metilciva baskılanmış mikroküreleri dispersiyon polimerizasyon tekniği ile hazırlamışlardır. Elde edilen metilciva baskılanmış mikrokürelerin yapısını aydınlattıktan sonra adsorpsiyon-desorpsiyon, seçicilik, katı-faz ekstraksiyonu ve tekrar kullanılabilme özelliklerini incelemişledir.

Yaptıkları seçicilik çalışmasında baskılanmış mikrokürelerin baskılanmamış mikrokürelerle karşılaştırdıklarında Hg⁺², Zn⁺², Cd⁺², Cu⁺² ve Pb⁺² iyonlarına karşı sırasıyla 20.83, 17.9, 20.9, 39.2 ve 114 kat daha seçici olduğunu çalışmalarında göstermişlerdir (Büyüktiryaki, vd, 2007).

Birlik ve arkadaşları, fosfat baskılı kitosan süksinat taneciklerinde fosfat iyonlarının seçicilik ve önderiştirilmesini araştırmışlardır. Fosfat baskılı metal-çelat polimerlerine adsorpsiyon-desorpsiyon çalışmaları yapılmıştır. Adsorpsiyon denge zamanı 30 dakika olarak saptanmıştır (Birlik vd, 2008).

2.4. Moleküler Baskılama Çeşitleri

2.4.1. Kovalent Baskılama

Kovalent baskılama için, baskılayıcı molekülün polimerize olabilen bir ürününü sentezlemek gerekir ve polimer sentezi sonrasında baskı molekülü yapıdan kimyasal olarak ayrılabilmelidir. Bu yaklaşım öncelikle Wulff ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir.

Şekil 2.5. Kovalent moleküler baskılama yönteminin şematik görünümü

Polimerizasyon işleminden önce fonksiyonel monomer ile kalıp molekül birbirlerine kovalent bağlarla bağlanır. Polimerizasyon işleminden sonra kovalent bağlar kırılır ve yuva oluşturmak amacıyla polimerden uzaklaştırılır. Hedef molekül, baskılanmış polimerlerle etkileştirildiğinde aynı kovalent bağ yeniden oluşarak baskı iyonu yuvaya seçici olarak yerleşir (Shea, et al, 1986). Şekil 2.5’de kovalent moleküler baskılama yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.

2.4.2. Non-Kovalent Baskılama

Moleküler baskılama sırasında kovalent bağlanmanın yanı sıra non-kovalent bağlanma da gerçekleşebilir. Bu bağlanmada, fonksiyonel monomer ile kalıp molekülün bağlanması non-kovalent (hidrojen bağı, elektrostatik etkileşimler ve koordinasyon bağ oluşumu gibi) etkileşimlerle gerçekleşir. Şekilde görüldüğü üzere; polimerizasyondan sonra uygun çözücülerle kalıp molekül polimerden uzaklaştırılır. Hedef molekül ile baskılanmış polimerler non-kovalent etkileşimlerle bağlanır (Molinelli, 2004, Ersöz vd, 2005).

Kovalent bağlanmaya oranla daha zayıf olsa da çok yönlü bağlanma gerçekleştirmesi ile cazip özellik oluşturmaktadır. Bu özelliği sayesinde kısa zamanda çok farklı bağlanma olanakları sunabilir (Shea, et al, 1986). Kompleks oluşumunda hidrojen bağı, iyonik, hidrofobik etkileşimler ile metal koordinasyonu gibi zayıf etkileşimler olur (Kempe, 1996). Dolayısıyla da kolay uzaklaştırılabilir özelliğe sahip olur.

Şekil 2.6. Non-kovalent moleküler baskılama yönteminin şematik görünümü

Anderson and Mosbach çalışmalarında, moleküler baskılı polimerler üzerindeki enantiomerik çözünmeyi araştırmak için non- kovalent ve non-iyonik etkileşimleri kullanmışlardır. Moleküler baskılı polimerler sadece baskılı molekül ve fonksiyonel monomerler arasındaki zayıf bağlar kullanılarak hazırlanmıştır (Anderson, Mosbach, 1990).

Lu ve arkadaşları ise; moleküler baskılama yöntemi ile non kovalent etileşimleri hem baskılı polimerlerin hazırlanması hem de oluşturulması aşamasında kullanmışlardır (Lu, et al, 2002)

2.4.3. Kovalent bağlanma ile non-kovalent bağlanmanın avantajları ve dezavantajları

Kovalent bağlanmada monomer-kalıp molekül kompleksi oldukça kararlıdır, sitokiyometrik oranlarda gerçekleşir ve homojen bir dağılım sağlanır. Polimerizasyon koşulları yüksek sıcaklık, yüksek veya düşük pH ve polar solventler için istenildiği gibi uygulanabilir, çünkü konjugatlar kovalent bağlarla oluşturulmuştur ve oldukça kararlıdırlar (Ikegami, et al, 2004). Ancak günümüzde baskılanmış polimer hazırlamak için non-kovalent yaklaşım daha çok terçih edilmektedir (Sellergren, et al, 1988, Zhong, et al, 2001). Non-kovalent yaklaşım polimerizasyon öncesinde non- kovalent etkileşimlerle kalıp molekül etrafında fonksiyonel monomerlerin düzenlenmesine imkan tanıdığından basit ve sorunsuzdur. Non-Kovalent bağlanma enzim-substrat bağlanmalarına benzer (Sellergren, et al, 1988).

Moleküler baskılama yönteminin kullanıldığı ilk yıllarda temel kavramların gelişmesi ve baskılanmış polimerlerin optimize edilmesi kovalent etkileşimlerle gerçekleştirilmiştir. Daha sonraları non-kovalent etkileşimler uygulamadaki kolaylıkları nedeniyle daha cazip hale gelmiştir. Non-kovalent etkileşimlerde bağlanma sabitleri daha düşüktür ve baskılama işlemi sırasında monomerlerin bağlanma bölgelerinin ortamda fazlasıyla bulunması istenir. Sonuçta oluşan polimerdeki

bağlanma bölgeleri boşlukların içerisine tam olarak yerleşemez. Özellikle katalitik uygulamalarda ve kromotografik amaçlı çalışmalarda bu durum bir engel olarak görülmektedir (Wulff, Poll, 1987).

Moleküler baskılama işlemi için her türlü polimerizasyon (radikal, anyon, katyon ve kondenzasyon) tekniği kullanılabilir. Yeter ki polimerizasyon koşulları bileşenlere (kalıplar, çapraz bağlayıcı ajanlar, monomer ile non-kovalent etkileşimler ve diğerleri) zarar vermesin. Bununla beraber, hazırlanmasında ve uygulanmasındaki kolaylığı nedeniyle en çok radikal polimerizasyon tekniği kullanılmaktadır. MIP hazırlama yönteminde kullanılan farklı kalıp-monomer etkileşimleri Şekil 2.7’da görülmektedir (Alexander, et al, 2006, Mayers, et al, 2005)

Şekil 2.7. MIP’de kalıp-fonksiyonel monomer etkileşimleri: (a) kovalent etkileşimi, (b) nonkovalent etkileşimi, (c) iyonik etkileşimi, (d)hidrofobik veya Van der Waals etkileşimi,

(e) Metal-ligand etkileşimi

2.5. Moleküler Baskılama Birimleri

2.5.1. Fonksiyonel monomerler

Fonksiyonel monomer için anahtar eleman, etkileşimin gerçekleşmesi için uygun bağlanma bölgesinin sayısıdır. Kovalent baskılamada, kalıp molekül vinil gruplarına kovalent olarak bağlanır. Akrilik asit amitleri ve esterleri veya metakrilik asit en sık

kullanılan monomerlerdir. Non-kovalent baskılamada, uygun fonksiyonel gruplara bağlı vinil monomerleri kullanılır. MIP’lerin sentezinde en çok kullanılan fonksiyonel monomerlerin listesi Çizelge 2.1’de verilmiştir (Ramström, et al, 1993). Organik polimerlerin hazırlanmasında kullanılan monomerler:

a)-Bazik yapıya sahip olanlar (vinil piridinler), b)-Asidik yapıya sahip olan (metakrilik asit), c)-Hidrofobik yapıya sahip olanlar (stiren),

d)-Hidrojen bağı gösteren yapıya sahip olanlar (akrilamit) gibi sayılabilir.

Çizelge 2.1. MIP sentezinde kullanılan başlıca fonksiyonel monomerler:

Fonsiyonel Monomer

Monomrin Açık yapı formülleri Asidik bazik veya nötral karakteri Metakrilik Asit

(MAA)

OH

O

H₃C Asidik

p-vinilbenzoik asit

OH

O Asidik

Đtakonik asit

OH HO

O

O

Asidik

N-(2-aminetil)- metakrilamid

HN

O H₃C

NH₂

Bazik

4-vinilpridin(4-VP)

N

Bazik

4-(5)-vinilimidazol

N

HN Bazik

Metakrilamid

NH₂

O

H₃C Nötral

Trans-3-(3-pridil)- akrilik asit

^{HO N}

O Nötral

Stiren

Nötral

2.5.2. Çapraz bağlayıcılar

Baskılanmış polimerde çapraz bağlayıcı özellikle baskılanmış molekülün bağlanma yerlerinin kararlılığı için önemlidir. Kalıcı gözenekli yapı elde etmek için yüksek çapraz bağlanma oranı istenir. Yüksek çapraz bağlanma ile hem baskılanmış molekül çözücüde çözünmez hem de kullanım daha kolaylaşmış olur. Yüksek çapraz bağlanma için ise çapraz bağlayıcı ile fonksiyonel monomerin uyumu gereklidir (Büyüktiryaki, 2005, Cormack, et al, 2004). Çapraz bağlayıcı, oluşturulan bağlanma yerlerinden uzaklaştırma işleminden sonra kararlı ve bağlanan yapıyı hafızada tutan polimer yapının oluşması için kullanılır (Idziak, et al, 2001).

Başlıca kullanılan çapraz bağlayıcılar p-divinilbenzen (DVB) ve etilenglikol dimetakrilat (EDMA) olarak söylenebilir (Cormack, et al, 2004).

Çizelge 2.2’de MIP sentezinde kullanılan başlıca çapraz bağlayıcılar verilmektedir.

Çizelge 2.2. MIP sentezinde kullanılan başlıca çapraz bağlayıcılar

Çapraz Bağlayıcı Çapraz Bağlayıcının Açık Molekül Yapısı Đzo propilen bis (1,4-fenilen)

dimetakrilat ^O

CH3 O

CH3

O

CH3

CH3

O

N,N’-1,3-fenilen bis (2-metil-2- propenamid (PDBMP)

NH

O

NH

OH O

O

N,N’-Tetrametilen bis

metakrilamid

CH3

HN

O CH3

O

NH

Etilen glikol dimetakrilat (EDMA) ^CH3

O

O

C O

O

Tetra metilen dimetakrilat (TMDMA)

CH₃

O

O CH3

O

O

N,N’-Etilen bis metakrilamid ^CH3

HN

NH

CH₃ O

O

p-divinilbenzen (DVB)