MANYETK KTOSAN BONCUKLARLA Brilliant Blue FCF BOYA GDERM

Transkript

1 ÖZEL EGE LSES MANYETK KTOSAN BONCUKLARLA Brilliant Blue FCF BOYA GDERM HAZIRLAYAN ÖRENCLER: Gizem Özbakır Ouzhan Çalıyan (10B) (10A) DANIMAN ÖRETMENLER: Rüçhan Özdamar ZMR 2011

2 ÇERK LSTES PROJENN AMACI GR MATERYALVEYÖNTEM... 5 Boya spektrum taraması ve kalibrasyon grafiinin hazırlanması Kitosan boncukların hazırlanması... 5 zoterm katsayılarının belirlenmesi... 7 SONUÇLAR VE TARTIMA... 7 DEERLENDRME. 11 TEEKKÜR.. 11 KAYNAKLAR.. 12

3 PROJENN AMACI Brilliant Blue FCF, ABD de yıllık üretimi kg ı aan ve kii baına günlük kullanım miktarı 16 mg düzeyinde olduu belirtilen bir boyadır. Tekstil ve deri sanayisi dıında kozmetik ürünlerde ve gıda endüstrisinde renklendirici olarak kullanılmaktadır. nsan salıına olan zararları dolayısıyla bu boyanın kullanımı geçmite yasaklanmıtır. Ancak Avrupa Birlii tarafından güvenli bir gıda boyası sınıfına sokularak yasallatırılmı olup bugün hala pek çok ülkede kullanımı devam etmektedir. Projemizde, salıı tehdit eden kanserojen etkiye sahip olan Brilliant Blue FCF boyasının arıtımında, kabuklu su ürünlerinden kolaylıkla ve ekonomik olarak elde edilen kitosanın deerlendirilmesi ve kullanılması amaçlanmıtır. GR Brilliant Blue FCF, tekstil ve deri endüstrisinde popüler renklendirici olarak kullanılan bir boyadır (Mital., 2006). Bu kullanımı dıında sabunlarda, ampuanlarda, aız gargaralarında ve dier hijyen amaçlı ürünler ile kozmetik ürünlerde ve gıda endüstrisinde renklendirici olarak kullanılmaktadır. Gıdalarda genellikle dondurmalarda, bezelye konservelerinde, süt ürünlerinde, ekerlemelerde ve içeceklerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun dıında tekstil ve deri sanayinde de kullanılabilmektedir(mital, 2006). Brilliant Blue FCF boyası suda çözündüünde parlak mavi renk veren bir gıda boyasıdır. Kimyasal formülü C 37 H 34 N 2 Na 2 O 9 S 3 eklindedir ve suda çözünebilir mavi-mor renkli toz formundadır. Petrolden elde edilen aromatik hidrokarbonların kullanımı ile üretilen sentetik bir boyadır. Genellikle disodyum tuzu formunda bulunur. Kalsiyum ve potasyum tuzu

4 formunda bulunanları da mevcuttur. Diamonyum tuzu formunun CAS numarası ve gıda kodu E133 tür. Brilliant Blue FCF karsinojeniktir, nörolojik bozukluklara ve üreme bozukluklarına, çeitli alerjilere, döküntüleri de kapsayan anaflaktik reaksiyonlara, nefes alma ve yutkunma güçlüklerine sebebiyet vermektedir. Bazı hastalarda astımın tetikleyicisi olabilmektedir. Hatta aırı kullanımı davranı bozukluklarına, gastrointestinal tümörlere, lenfomaya neden olabilen doku harabiyeti ile sonuçlanır (Gupta, Mittal, Krishnan, Mittal,2006). Brilliant Blue FCF boyasının üç sülfonik grubunun olması (ekil 1) boyaya iyonik özellik ile sulu ortamda kolay çözünebilme özelliklerini vermekte ve bu da boyanın topraa ve suya rahatça karımasını salamaktadır. Ayrıca boyanın parçalanması sonucu amino ürünleri ortaya çıkmakta ve bu da suda büyük oranda toksisiteye sebep olmaktadır (Mital., 2006). nsan salıına olan zararları dolayısıyla Avusturya, Belçika, Danimarka, Fransa, Yunanistan, talya, Norveç, spanya, sviçre ve sveç te bu boyanın kullanımı geçmite yasaklanmıtır. ABD de yıllık üretimi kg ı amaktadır ve kii baına günlük kullanım miktarı 16 mg düzeyindedir. ekil 1 : Brilliant Blue FCF kimyasal yapısı((mital A., 2006). Dünya çapında, deniz ürünleri üreticisi irketler tarafından büyük miktarda yengeç ve karides kabuu deerlendirilmeden çevreye atılmaktadır. Özellikle son yıllarda atıkların yeniden deerlendirilmelerinin gündeme gelmesiyle birlikte, kabuklu su ürünleri çürümeye bırakılmak yerine, kimyasal veya biyolojik yöntemlerle yeniden deerlendirilmekte ve yeni ürünler elde edilmektedir. Bu ekilde edilen ürünlerin basında kitin ve balıca türevi olan

5 kitosan gelmektedir. Kitinden üretilen kitosanın 2000 yılı üretimi 1250 ton/yıl civarında olduu belirtilmitir. Bir kilogramının üretim maliyeti ürün kalitesine ve üretim prosesine balı olarak 6 ile 32 USD arasında deimektedir. Kabuklu su ürünleri artıklarının bata kitin olmak üzere çesitli ürünlerin eldesi eklinde deerlendirilmesiyle hem ekonomik açıdan kazanç hem de çevre açısından oldukça büyük yarar salanacaı bildirilmitir(demir, Seventekin, 2009). Kitosan, lineer bir polimer olan -(1-4) asetil-d-glukozamin yani kitinin deasetillenmi formudur. Yüksek miktarda fonksiyonel amino grubu içermektedir ve bu, kitosanın çözeltideki boyalar ve proteinler arasında elektrostatik etkileime girmesini, boya ve proteinlerin adsorbsiyonunu salayabilir. Kitosanın kullanımındaki dier faydalı özellikleri ise bol bulunması, toksik olmaması, hidrofiliklii, biyo uyumluluu, biyo bozunur olması ve antibakteriyel özellik taıması olarak gösterilebilir. Kitosanı stabilize etmek amacıyla bazı çapraz balayıcı ajanlar kullanılmıtır. Çapraz balı kitosan daha fazla mekanik dayanıklılık göstermektedir (Demir, Seventekin, 2009). ekil 2 de glutaraldehit ile çapraz balı kitosanın yapısı gösterilmitir. ekil 2 : Kitosanın glutaraldehit ile çapraz balanması((demir, Seventekin, 2009). Bu çalımada, atık sulardan çapraz balı manyetik kitosan boncuklar ile bir gıda boyası türü olan Brilliant Blue FCF nin arıtımı amaçlanmıtır. Bu amaçla, çapraz balı kitosan

6 boncuklar Sodyum Hidroksit içerisine ucu kesik ırınga yardımıyla damlatılarak hazırlanmı ve glutaraldehit kullanılarak çapraz balanmıtır. Ba-ferrit manyetik kitosan boncukların hazırlanmasında kullanılmıtır. Manyetik özellik boncukların atık sudan giderimin ardından kolayca ayrılabilmesini salamak amacıyla kullanılmıtır. Boncuk oluturma koullarının optimizasyonu ve boya giderim optimizasyonu amacıyla Ba-ferrit miktarı, ph, inkübasyon zamanı, boya konsantrasyonu ve glutaraldehit miktarının etkileri incelenmitir. Langmiur ve Freundlich katsayıları hesaplanarak hazırlanılan boncukların boya gideriminde uygunlukları tartıılmıtır. YÖNTEM Çalımamızda kullanılan Kitosan Sigma Firmasından temin edilmitir. Brilliant Blue FCF gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılan boya olup ticari olarak satın alınmıtır. Kullanılan dier tüm reaktifler ve çözgenler analitik saflıktadır. 1. Boya spektrum taraması ve kalibrasyon grafiinin hazırlanması Brilliant blue FCF boyar maddesinin maksimum absorbans verdii dalga boyunun saptanması amacıyla Perkin Elmer UV/VIS Spektrofotometre kullanılarak dalga boyu taraması yapıldı. Maksimum absorbans verdii dalga boyunun saptanmasının ardından 1-10 µg/ml aralıında boya çözeltileri hazırlanılarak kalibrasyon grafii çizildi. 2. Kitosan boncukların hazırlanması Manyetik kitosan boncukların hazırlanması amacıyla %1, %1.5 ve %2 lik kitosan tartılarak % 5 lik asetik asit çözeltisinde çözüldü. Farklı baryum ferrit miktarındaki ( mg) Baryumferrit-kitosan çözeltileri ultrasonifikasyonla hazırlandı. Baryum ferrit-kitosan çözeltisi, manyetik kitosan boncukları oluturmak için ucu kesik bir ırınga ile 1 M NaOH çözeltisine damla damla eklendi. 4 saat inkübasyondan sonra, filtrasyon ile ayrıldı ve saf su kullanılarak 3 kez yıkandı.

7 Manyetik kitosan boncuklar, 1 saat farklı oranlardaki glutaraldehit çözeltisi (% 1-5) ile çapraz balı manyetik kitosan boncukları elde etmek için oda sıcaklıında inkübe edildi. Inkübasyonun ardından oluturulan boncuklar saf su kullanılarak 3 kez yıkandı. Boncuk partikül boyutu 10 ml lik mezür kullanılarak tespit edildi. çinde 10 ml saf su bulunan mezüre belirli sayıda boncuk ilave edildi ve hacim artıı ölçülerek kaydedildi. lem 5 kez farklı boncuklar kullanılarak gerçekletirildi. Hacim artıından yararlanılarak boncuk çapları, küre hacim formülü kullanılarak hesaplandı. Çapraz balı manyetik boncukların saptanan boyutları, cetvel ve çekilen fotoraflarla desteklendi. Boncuk hazırlanma koullarının optimizasyonunun ardından manyetik çapraz balı kitosan boncuklar Brilliant blue FFC boyasının giderimi için kullanıldı. Giderim üzerine ph, inkübasyon süresi ve boya konsantrasyonunun etkisi incelendi. ph etkisini incelemek amacıyla, boya çözeltisinin ph deerleri 2-10 arasına HCl ve NaOH kullanılarak ayarlandı. t=0 anındaki ve uygulama sonundaki konsantrasyonları 629 nm de UV/VS spektrofotometre kullanılarak ölçüldü ve elde edilen veriler adsorpsiyon kapasitesinin hesaplanmasında kullanıldı. nkübasyon süresinin etkisini incelemek amacıyla, 50 ml boya çözeltisi çapraz balı manyetik kitosan boncuklarla (100 boncuk) erlen içerisinde orbital çalkalayıcıda 200

8 rpm de çalkalandı. Tüm denemeler oda sıcaklıında gerçekletirildi. Belirli zaman aralıklarında alınan 0.5 ml örnekte boya konsantrasyonu saptanarak kitosan boncuk tarafından tutulan boya miktarı belirlendi. 3. zoterm katsayılarının belirlenmesi Langmiur ve Freundlich izoterm eitlikleri kullanılarak adsorbsiyon izoterm katsayıları hesaplandı ve kullanılan manyetik çapraz balı boncukların boya gideriminde uygunluu tartııldı (Chiou, et all., 2004). Bu konuyla ilgili sonuçları netletirmek için denemeler tekrarlanmaktadır. SONUÇLAR VE TARTIMA Kitosan çözeltisi bir ırınga ile 1M NaOH çözeltisine damla damla eklenerek kitosan boncuklar oluturuldu. Hazırlanan kitosan çözeltiler arasında, % 1,5 kitosan çözeltisinin küre eklini oluturmak için en uygun viskozite olduu belirlendi. % 1 in altındaki kitosan çözeltisi kullanıldıında ise boncuk yapılarının küre eklini almadıı saptandı. Resim 1 de % 1.5 lik kitosan çözeltisi kullanılarak hazırlanılan boncuklar görülmektedir. Resim 1: Kitosan Boncuklar Manyetik kitosan boncuk baryum ferrit kullanarak hazırlandı. Boncuklara manyetik özellik kazandırılmasının amacı, boncukların atık suda boya gideriminin ardından bu özellii ile sistemden uzaklatırılabilmesidir. Oluturulan manyetik kitosan boncukların boyutu kullanılan baryum ferrit miktarı ile dorudan orantılıdır. Ba-ferrit miktarının 30 mg ın üzerinde kullanıldıında, boncuk oluturma sırasında NaOH çözeltisine damlatılan kitosanın manyetik karıtırıcıya yapıması sonucu küre eklinin bozulduu gözlendi. 10 mg ba-ferrit kullanıldıında ise yeterli derecede

9 magnetik özellik boncuklarda saptanamadı. Bu nedenle 2.0 nm boyutundaki (Resim 2) boncuklarda kullanılan optimum Ba-ferrit miktarı 20 mg olarak belirlendi. Resim 2: Manyetik Boncuk Boyutu Boya konsantrasyonlarının hesaplanması için Brilliant blue FCF dalga boyu taraması yapıldı ve 629 nm dalga boyunda maksimum absorbans gözlendi (Grafik 1). 629 nm de yapılan ölçümler ile çizilen standart grafii yardımıyla her bir aamadaki boya konsantrasyonu saptandı (Grafik 2). Grafik 1: Brilliant Blue FCF Dalga Boyu Taraması

10 Grafik 2: Brilliant Blue FCF Kalibrasyon Grafii Adsorpsiyon proseslerinde ph etkisi önemlidir. Kitosanda mevcut olan amino grupları düük ph deerlerinde protonlanmı haldedir ve boya üzerinde bulunan negatif yükler ile etkileerek tutulumun daha etkin olarak gerçekletirilmesini salar. Gupta ve arkadalarının Brilliant blue giderimi üzerine yaptıı bir çalımada maksimum boya gideriminin ph 2-3 arasında olduu belirtilmitir. Bitki artıkları ile yaptıkları boya gideriminde ph 2 de % 93 adsorpsiyonun gerçekletiini saptamılardır (Gupta, et all., 2006). Bir dier çalımada, tavuk tüyleri kullanılarak Brilliant blue FCF boyası giderimi üzerine ph etkisi incelenmi ve ph 2 de maksimum adsorpsiyon verimi %70 olarak belirtilmitir(mital, 2006). Grafik 3 de görüldüü gibi manyetik çapraz balı kitosan boncuklar kullanılarak yapılan boya gideriminde maksimum kapasite ph 2 de saptandı. Bu sonucun literatür verileriyle uyum gösterdii belirlendi. Grafik 3: Boya Giderimi Üzerine ph Etkisi

11 Boya adsorpsiyonuna inkubasyon süresinin etkisi Grafik 4'de gösterildi. 150 dakika inkübasyon süresi tamamlandıktan sonra, boya adsorpsiyon kapasitesinin sabitlendii ve ortamda bulunan boyanın tamamının tutulduu saptandı. Dolayısıyla 150 dak tüm deneyler için inkübasyon süresi olarak seçildi. Boya çözeltisinin manyetik çapraz balı kitosan ile inkubasyonu öncesi ve sonrası rengi dikkate alındıında giderim veriminin %100 e yakın olduu belirlendi. Grafik 4: Boya Giderim Verimi Üzerine nkübasyon Zamanının Etkisi

12 DEERLENDRME Boya giderimi amacıyla günümüzde yaygın olarak, koagülasyon, çöktürme, membran filtrasyonu, oksidasyon ve adsorpsiyon yöntemleri kullanılmaktadır. Tüm atık su giderim yöntemleri arasında adsorpsiyonun, sanayi atıkları ve bazik boyaların giderilmesi için etkin ve ekonomik bir yöntem olduu kabul edilmitir. Adsorbent maddelerin büyük bir çounluu, organik kirleticiler için mükemmel adsorpsiyon kapasitesine sahip yaygın kullanılan adsorbanlardan biri olan aktif karbon da dahil boyaların giderimi için denenmitir. Ancak bu gibi adsorbentler yüksek ekonomik deere sahiptir. Yüksek adsorpsiyon kapasiteli düük maliyetli biosorbent malzemelerin gelitirilme çabaları günümüzde halen devam etmektedir. Bu projede manyetik çapraz balı kitosan kullanılarak atık sulardan gıdalarda yaygın olarak kullanılan Brilliant blue FCF boyasının giderimi hedeflenmitir. Bu amaçla, çapraz balı kitosan boncuklar, sodyum hidroksit içinde damlatılarak hazırlanmı ve glutaraldehit ile çapraz balanmıtır. Manyetik boncuk hazırlanması amacıyla Baryum ferrit kullanılmıtır. Boncuklara arıtım ileminin ardından atık sudan kolaylıkla uzaklatırılması için manyetik özellik kazandırılmıtır. Boncuk oluumuna ve boya giderim verimi üzerine; Ba-ferrit miktarı, ph, inkubasyon süresi, boya miktarı ve glutaraldehit miktarının etkisi aratırılmıtır. 20 mg Ba-ferrit ve %1.5 kitosan kullanılarak hazırlanılan manyetik çapraz balı kitosan boncukları 150 dak da ph sı 2 olan ortamda maksimum verimle boyanın tutulumunu gerçekletirmitir. Langmiur ve Freundlich izoterm katsayıları hesaplandıında ise hazırlanılan manyetik boncukların Brilliant blue FCF giderimi için uygun bir adsorban olduu belirlenmitir. TEEKKÜR Proje, Ege üniversitesi Fen Fakültesi biyokimya laboratuarlarında çalıılmıtır. Teorik ve laboratuar desteklerinden dolayı Doç. Dr. enay anlıer, aratırma görevlisi Güliz Ak ve Habibe Yılmaz a ayrıca bu çalımayı yapabilmemiz için yardımlarını ve desteklerini gördüümüz Özel Ege Lisesi yöneticilerine, Bilim Kurulu E Bakanımız Dr. Aye Türker e ve kimya öretmenlerimize teekkür ederiz.

13 KAYNAKLAR Mital A., (2006). Use of hen feathers as potential adsorbent for the removal of a hazardous dye, Brilliant Blue FCF, from wastewater, Journal of Hazardous Materials, B128, Gupta V.K., Mittal A., Krishnan L., Mittal J., (2006). Adsorption treatment and recovery of the hazardous dye Brilliant Blue FCF over bottom ash and de-oiled soya, Journal of Colloid and nterface Science, 293, Demir A., Seventekin N., (2009). Kitin, Kitosan ve Genel Kullanım Alanları, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, 3(2), Chiou M.S., et all., (2004). Adsorption of anionic dyes in acid solutions using chemically cross-linked chitosan beads, Dyes and Pigments, 60, Gupta V.K., et all., (2006). Adsorption treatment and recovery of the hazardous dye, Brilliant Blue FCF, over bottom ash and de-oiled soya, Journal of Colloid and Interface Science, 293,