Manyetik mezogözenekli çok işlevli nanokompozit sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları

Abstract

Endüstriyel organik atık su drenajlarından ve petrol sızıntılarından kaynaklanan su kirliliği insan sağlığına ve hayvanların yaşam alanlarına ciddi şekilde zarar verdiğinden, suda çözünür ve/veya çözünmeyen kirleticilerin uzaklaştırılması çok önemlidir. Çok işlevli manyetik mezogözenekli nanokompozitler, çoklu bağlanma bölgeleri, yüksek yüzey alanı, manyetik ayırma ve yüzeyin modifiye edilebilmesi gibi dikkate değer özellikleri nedeniyle suda çözünen ve/veya çözünmeyen kirleticilerin uzaklaştırılması için umut vadeden malzemelerdir. Çalışmada, bu amaca yönelik, matris olarak mezogözenekli silika SBA-15, takviye elemanı olarak manyetik ayırmayı sağlayan manyetit (Fe3O4), fonksiyonelleştirme elemanı olarak çoklu bağlanma yerleri sağlayan polidopamin (PDA) ve modifiye edici olarak hidrofobiklik kazandıran viniltrietoksisilan (VTES) ve oktadesilamin (ODA) kullanılarak çok işlevli manyetik mezogözenekli nanokompozitler tasarlanmıştır: Fe3O4@PDA@SBA-15 ve SBA-15-Fe3O4-PDA-ODA. Yüzey modifikasyonundan önce suda çözünür katyonik boyar madde Malachite Green (MG) gideriminde Fe3O4@PDA@SBA-15 nanokompozitinin adsorpsiyon kapasitesi 71,92 mg g-1 olarak belirlenirken, SBA-15-Fe3O4-PDA nanokompozitinin adsorpsiyon kapasitesi 138,08 mg g-1 değerinde bulunmuştur. VTES ve ODA modifikasyonundan sonra suda çözünmeyen kirletici olan yağ gideriminde, Fe3O4@PDA@SBA-15@VTES nanokompozitinin kapasitesi 8,83 g g-1 olarak belirlenirken, SBA-15-Fe3O4-PDA-ODA nanokompozitinin kapasitesi 40,28 g g-1 değerindedir. Manyetik nanokompozitler adsorpsiyon işleminden sonra, bir mıknatıs ile sudan kolayca ayrılıp basit rejenerasyon prosesleri ile 3 kez tekrar kullanılabilmiş ve giderim kapasitlerinde belirgin bir düşme gözlenmemiştir. Üstelik yapısal, manyetik ve yüzey özellikleri karakterize edilen nanokompozitlerden SBA-15-Fe3O4-PDA-ODA suda çözünen MG ve çözünmeyen yağ kirleticilerin aynı süreçte giderilmesinde de başarılı adsorpsiyon özelliği sergilemiştir. Hazırlanan çok işlevli manyetik mezogözenekli nanokompozitler, kolay ve düşük maaliyetli üretim prosedürü, kaytonik boya ve yağın seçici olarak kontrol edilebilir uzaklaştırma yeteneği sayesinde suda çözünen ve çözünmeyen kirleticiler için çevre temizleme sürecinin işlevselliğini arttırmaktadır.

Removal of water-soluble and/or insoluble pollutants is very important since water pollution resulted from industrial organic waste water drains and oil spills seriously harms human health and animal habitats. Multifunctional magnetic mesoporous nanocomposites are promising materials for the removal of water-soluble and/or insoluble pollutants due to the remarkable properties such as changeable surface properties, multiple binding sites, high surface area and magnetic separation. In this study, for that purpose, multifunctional magnetic nanocomposites Fe3O4@PDA@SBA-15@VTES and SBA-15-Fe3O4-PDA-ODA were designed by using mesoporous silica SBA-15 as matrix, magnetite (Fe3O4) providing magnetic separation as reinforcement, polydopamine (PDA) providing multiple bonding sites as functionalization element, and vinyltriethoxysilane (VTES) and octadecylamine (ODA) providing hydrophobicity as a modifier. The adsorption capacity of SBA-15-Fe3O4-PDA nanocomposite was determined as 138.08 mg g-1, while the adsorption capacity of Fe3O4@PDA@SBA-15 nanocomposite was determined as 71.92 mg g-1 for the removal of water-soluble cationic dye Malachite Green (MG) before surface modification. After VTES and ODA modification, for removal of oil which is a water-insoluble pollutant, the capacity of SBA-15-Fe3O4-PDA-ODA nanocomposite was determined 40.28 times of its own weight, while the capacity of Fe3O4@PDA@SBA-15@VTES nanocomposite was determined 8.83 times of its own weight. The magnetic nanocomposites could be easily separated from the water with an external magnet after the adsorption process and reused 3 times with simple regeneration processes, and no significant decrease was observed in their removal capacities. Moreover, SBA-15-Fe3O4-PDA-ODA from nanocomposites characterized by structural, magnetic and surface properties also exhibited successful adsorption properties in removal of water-soluble MG and water-insoluble oil pollutants in the same process. The prepared multifunctional magnetic mesoporous nanocomposites increase the functionality of the environmental cleaning process for water-soluble and insoluble pollutants, due to an easy and low cost production, selectively controllable removal ability of cationic dye and oil.