Araştırmacılar, Saccharomyces cerevisiae kullanarak 500 Gauss manyetik alan altında yaklaşık 10 nm boyutunda gümüş nanoparçacıkları üretmiş ve bunları grafen oksit ile sodyum aljinat temelli boncuk yapısına dahil etmiştir. Geliştirilen Ag-GONA boncukları Pb(II), Hg(II) ve Cd(II) ağır metal iyonları ile naftalen, fenol ve floren gibi organik kirleticilere karşı test edilmiştir. Çalışmanın ana deneysel koşullarında pH 7, 6 saat temas süresi ve 298 K öne çıkmış; raporlanan maksimum adsorpsiyon kapasiteleri Pb için 326,77 mg/g, Hg için 300,37 mg/g, Cd için 219,13 mg/g, naftalen için 71,93 mg/g, floren için 67,77 mg/g ve fenol için 58,11 mg/g düzeyine ulaşmıştır. Bununla birlikte bunlar laboratuvar koşullarındaki adsorpsiyon sonuçlarıdır; çalışma tam ölçekli sürekli rafineri arıtma sisteminde saha performansı kanıtı sunmamaktadır.

Türkiye açısından çalışma özellikle petrol rafinerileri ve benzeri endüstriyel tesislerde ağır metal ile aromatik organik kirleticilerin aynı adsorban üzerinde giderilmesi fikri bakımından önemlidir. Ancak kaynak atıksu Orta Doğu ve Kuzey Afrika bölgesinden alınmıştır ve çalışma Türkiye'deki rafineri atıksularının iyonik bileşimi, tuzluluk, askıda katı madde, yağ içeriği, gerçek hidrolik yükler veya yerel işletme koşulları altında doğrudan doğrulama yapmamaktadır. Bu nedenle bildirilen kapasite ve giderim oranlarının Türkiye'deki tesislere doğrudan aktarılması yerine, yerel atıksu matrisiyle pilot ölçekli doğrulama yapılması gerekir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Petrol rafinerisi atıksuları ağır metaller, fenolik bileşikler ve çeşitli aromatik organik kirleticiler içerebilir. Bu kirleticilerin aynı arıtma sistemi içinde yüksek verimle uzaklaştırılabilmesi, kullanılan adsorbanın yalnız yüksek kapasite göstermesini değil; sudan kolay ayrılabilmesini, tekrar kullanılabilmesini ve farklı kirletici sınıflarıyla etkileşebilmesini de gerektirir.

Çalışmanın yaklaşımı üç malzeme özelliğini birleştirmektedir: gümüş nanoparçacıklarının yüksek yüzey reaktivitesi, grafen oksidin yüksek yüzey alanı ve fonksiyonel grupları ile aljinat temelli boncuk yapısının fiziksel olarak ayrılabilir ve yeniden kullanılabilir bir adsorban oluşturması.

Ag-GONA nasıl oluşturuldu?

Gümüş nanoparçacıklarının sentezinde fırıncı mayası olarak bilinen Saccharomyces cerevisiae kullanılmıştır. Maya hücreleri 30 °C ve pH 6,5 koşullarında yetiştirilmiş; gümüş öncülü olarak 1 mM AgCl, 50 mM NaCl ve 20 mM MOPS tamponu içeren ortam hazırlanmıştır. Hücre yoğunluğu yaklaşık OD₆₀₀ ≈ 1,5 olacak şekilde ayarlanmış ve karışım 300 rpm'de karıştırılmıştır.

Reaksiyon kabına yaklaşık 500 Gauss büyüklüğünde bir manyetik alan uygulanmış, mıknatıs kap yaklaşık 2 cm uzaklığa yerleştirilmiş ve işlem 30 °C'de 4 saat sürdürülmüştür. Araştırmacılar maya hücrelerinin gümüş iyonlarının indirgenmesine ve oluşan Ag nanoparçacıklarının stabilizasyonuna katkı sağladığını belirtmektedir.

Grafen oksit için 25 mg GO, 5 mL deiyonize suda dağıtılmış ve buna 0,2 g sodyum aljinat eklenmiştir. Karışım %5'lik CaCl₂ çözeltisine damlatılarak küresel boncuklar oluşturulmuş ve yaklaşık üç saat çapraz bağlanmaya bırakılmıştır. Ardından boncuklar 250 mg PEG içeren 5 mL çözelti içinde 40 °C'de 20 saat işleme tabi tutulmuştur.

Malzemenin yapısı nasıl doğrulandı?

SEM görüntüleri gümüş nanoparçacıklarının sodyum aljinat matrisi içinde dağıldığını ve grafen tabakalarının yapı içerisinde birbirine geçmiş bir ağ oluşturduğunu göstermektedir. Bu düzensiz ve gözenekli morfoloji, kirletici moleküllerin erişebileceği yüzey bölgelerinin artması açısından önemlidir.

TEM görüntülerinde Ag nanoparçacıkları ağırlıklı olarak küresel ve yaklaşık 10 nm ortalama boyutta görünmüş; belirgin bir büyük ölçekli aglomerasyon raporlanmamıştır.

XRD analizinde grafen oksitle ilişkilendirilen 2θ ≈ 9,98° piki yanında, gümüş nanokristallerine atfedilen 38,1°, 44,3°, 64,5° ve 77,7° pikleri görülmüştür. Araştırmacılar bu yansımaları gümüşün yüzey merkezli kübik kristal yapısındaki (111), (200), (220) ve (311) düzlemleriyle ilişkilendirmiştir.

FTIR sonuçları ise adsorban üzerinde hidroksil ve oksijen içeren başka fonksiyonel grupların bulunduğunu göstermektedir. Araştırmacılar bu grupların metal iyonlarıyla kompleksleşme ve organik kirleticilerle yüzey etkileşimlerinde rol oynadığını değerlendirmektedir.

pH neden belirleyici oldu?

Metal iyonlarının gideriminde pH 2'den pH 7'ye yükseldiğinde Ag-GONA performansı belirgin biçimde artmıştır. pH 7 civarında Pb giderimi yaklaşık %89, Hg yaklaşık %80 ve Cd yaklaşık %99,7 düzeyine ulaşmıştır. Kaynakta bu artış düşük pH'ta H⁺ iyonlarının adsorpsiyon bölgeleriyle rekabet etmesi, nötre yaklaşırken ise yüzey fonksiyonel gruplarının deprotonasyonu sonucu metal katyonlarıyla elektrostatik etkileşim ve kompleksleşmenin güçlenmesiyle açıklanmaktadır.

Organik kirleticilerde de pH artışı genel olarak olumlu etki göstermiştir. Ag-GONA boncukları pH 7'de yaklaşık %80 naftalen, %76 fenol ve %75 floren giderimi sağlamıştır.

Temas süresi ne gösterdi?

Ag-GONA'nın önemli özelliklerinden biri adsorpsiyonun ilk saatlerde hızlı ilerlemesidir. Ağır metal deneylerinde 6 saat sonunda Pb için yaklaşık %99,8, Hg için %96,11 ve Cd için %98 giderim raporlanmıştır. Organik kirleticilerde aynı sürede naftalen yaklaşık %86, fenol %69,5 ve floren %59 düzeyine ulaşmıştır.

Temas süresi 6 saatin üzerine çıktığında bazı kirleticilerde ek artış görülmemiş, hatta küçük azalmalar meydana gelmiştir. Araştırmacılar bunu yüzey bölgelerinin doygunlaşması, adsorpsiyon-desorpsiyon dengesinin değişmesi veya kısmi desorpsiyonla ilişkilendirmektedir.

Başlangıç konsantrasyonu arttığında ne oldu?

GONA kontrol boncuklarında başlangıç kirletici konsantrasyonu yükseldikçe giderim yüzdesi genel olarak azalmıştır. Ag-GONA boncukları ise ağır metal iyonlarında daha yüksek ve daha kararlı performans göstermiştir. Örneğin Pb giderimi başlangıç konsantrasyonu 10 mg/L'den 110 mg/L'ye yükselirken yaklaşık %99'dan %98,56'ya gerilemiştir.

Organik kirleticilerde adsorpsiyon bölgelerinin doygunluğuna bağlı daha belirgin bir azalma görülmüştür. Naftalen giderimi yaklaşık %84'ten %74'e, fenol %64,7'den %49'a ve floren %53,1'den %42,36'ya düşmüştür.

Sıcaklık etkisi

298–328 K aralığında sıcaklık yükseldikçe ağır metal ve organik kirletici gideriminde küçük fakat düzenli düşüşler raporlanmıştır. Araştırmacılar bu davranışı adsorpsiyonun ekzotermik karakteriyle ilişkilendirmektedir. Bununla birlikte makalenin farklı bölümlerindeki mekanizma dili tamamen tutarlı değildir: kinetik değerlendirmede kemisorpsiyon vurgulanırken sıcaklık tartışmasının bir bölümünde süreç “physisorption-driven” olarak tanımlanmıştır. Mekanizma bölümünde ise metal iyonları için daha güçlü kemisorpsiyon, organik moleküller için daha zayıf ve tersinir van der Waals etkileşimleri tarif edilmektedir.

Maksimum adsorpsiyon kapasitesi

Çalışmanın özetinde bildirilen maksimum kapasiteler aşağıdaki gibidir. Pb değeri özet ve sonuç bölümünde 326,77 mg/g olarak verilirken Tablo 1 ve karşılaştırma tablosunda 326 mg/g biçiminde yuvarlanmıştır.

Langmuir, Freundlich ve PSO ne gösterdi?

Denge verileri Langmuir ve Freundlich izotermleriyle karşılaştırılmıştır. Yazarlar genel olarak Langmuir modelinin verileri daha iyi açıkladığını ve adsorpsiyonun homojen yüzey bölgelerindeki tek tabakalı tutunmayla uyumlu olduğunu belirtmektedir. Langmuir ayırma faktörü R_L değerlerinin 0 ile 1 arasında bulunması da araştırmacılar tarafından elverişli adsorpsiyon koşulu olarak yorumlanmıştır.

Bununla birlikte Pb için tabloda Freundlich uyum katsayısı R²=0,9875, Langmuir değeri ise R²=0,98633'tür. Bu nedenle “Langmuir bütün kirleticilerde açık biçimde daha iyi uyum verdi” şeklinde mutlak bir yorum kaynak tablosu tarafından tamamen desteklenmemektedir.

Kinetik analizde kullanılan yalancı ikinci dereceden modelin (pseudo-second-order, PSO) genel biçimi çalışmada şu şekilde verilmiştir:

\[ \frac{t}{q_t}=\frac{t}{k_2q_e^2}+\frac{t}{q_e} \]

Burada \(q_t\), t anındaki adsorpsiyon kapasitesini; \(q_e\), denge adsorpsiyon kapasitesini; \(k_2\) ise ikinci dereceden adsorpsiyon hız sabitini ifade eder. Çalışmadaki PSO uyum katsayıları Pb, Hg, Cd, naftalen, fenol ve floren için yaklaşık 0,9909 ile 0,99962 arasında değişmektedir. Araştırmacılar bu yüksek uyumu kemisorpsiyon veya adsorban ile adsorbat arasındaki elektron aktarımının hız belirleyici süreçte rol oynadığı şeklinde yorumlamaktadır. Ancak kinetik modele iyi uyum tek başına moleküler mekanizmanın doğrudan kanıtı olarak değerlendirilmemelidir.

Adsorpsiyon mekanizması nasıl açıklanıyor?

Çalışmada Ag-GONA yüzeyinin gözenekli morfolojisi ile hidroksil, amino, karbonil ve karboksil gibi fonksiyonel grupların birlikte çalıştığı bir mekanizma önerilmektedir. Metal iyonlarının bu bölgelerde elektron çifti paylaşımı, kompleksleşme, elektrostatik çekim ve iyon değişimi yoluyla tutulabildiği; organik kirleticilerin ise gözenek doldurma, hidrojen bağı, elektrostatik etkileşim ve zayıf van der Waals etkileşimleriyle yüzeye bağlanabildiği belirtilmektedir.

Bu nedenle çalışma adsorpsiyonu tek bir mekanizmaya indirgememekte; yüzey adsorpsiyonu, elektrostatik çekim, kompleksleşme, iyon değişimi ve bazı koşullarda kimyasal çökelme gibi birden fazla katkının bulunduğunu öne sürmektedir.

Boncuklar tekrar kullanılabildi mi?

Rejenerasyon deneylerinde kirletici yüklü boncuklar HCl ile pH 5'e ayarlanmış ve 200 ppm CaCl₂ içeren çözeltiyle üç saat işleme tabi tutulmuştur. CaCl₂ kullanımının aljinat boncuklarının mekanik bütünlüğünü korumaya yardımcı olması amaçlanmıştır.

Pb(II) için altı ardışık çevrimde giderim oranları sırasıyla yaklaşık %99,9, %98, %93, %83, %82 ve %78 olarak bildirilmiştir. Organik kirleticilerde naftalen %88'den %63'e, fenol %86'dan %66'ya ve floren yaklaşık %86,1'den %61'e gerilemiştir. Performans kaybı bulunmasına rağmen boncukların altıncı çevrimde de anlamlı adsorpsiyon kapasitesini koruduğu görülmektedir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Ag-GONA boncukları, çalışmanın test koşullarında GONA kontrol boncuklarından daha yüksek kirletici giderim performansı göstermiştir.
• Pb(II), Hg(II) ve Cd(II) için yüzlerce mg/g düzeyinde maksimum adsorpsiyon kapasitesi raporlanmıştır.
• Naftalen, fenol ve floren de aynı kompozit adsorban tarafından tutulabilmiştir.
• pH, temas süresi, başlangıç konsantrasyonu ve sıcaklık adsorpsiyon performansını belirgin biçimde etkilemiştir.
• PSO kinetik modeli deneysel verilere yüksek R² değerleriyle uyum göstermiştir.
• Boncuklar altı adsorpsiyon-desorpsiyon çevrimi boyunca tamamen işlevini kaybetmemiştir.

Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar

• Bu çalışma tam ölçekli rafineri arıtma tesisinde uzun dönem sürekli işletme başarısı göstermemektedir.
• Altı çevrimlik rejenerasyon sonucu adsorbanın aylar veya yıllar boyunca aynı performansı koruyacağını kanıtlamaz.
• Laboratuvar adsorpsiyon kapasitesi doğrudan endüstriyel debide aynı giderim yüzdesinin elde edileceği anlamına gelmez.
• Çalışma adsorban üretiminin büyük ölçekli maliyetini, gümüş nanoparçacığı kaybını veya tam yaşam döngüsü çevresel etkisini kapsamlı biçimde hesaplamamaktadır.
• Türkiye'deki rafineri atıksularında aynı performansın elde edileceği doğrudan gösterilmemiştir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Deneysel yapı

Adsorpsiyon kapasitesi ve giderim hesabı

Çalışmada denge adsorpsiyon kapasitesi şu bağıntıyla hesaplanmıştır:

\[ q=\frac{(C_0-C_f)V}{M} \]

Burada \(C_0\) başlangıç adsorbat konsantrasyonunu, \(C_f\) işlem sonrasındaki konsantrasyonu, \(V\) adsorbat çözeltisinin hacmini ve \(M\) adsorban kütlesini ifade eder. Kaynakta konsantrasyonlar mg/L, adsorpsiyon kapasitesi ise mg/g olarak raporlanmıştır.

Yüzde giderim verimi ise:

\[ RE(\%)=\frac{C_0-C_f}{C_0}\times100 \]

şeklinde hesaplanmıştır.

Ana nicel bulgular

* Pb kapasitesi özet ve sonuç bölümünde 326,77 mg/g, Tablo 1 ve Tablo 3'te 326 mg/g olarak verilmiştir.

İzoterm sonuçları

Langmuir modelinde bildirilen R_L aralıklarının tamamı 0 ile 1 arasındadır. Raporlanan Langmuir R² değerleri Pb için 0,98633, Hg için 0,96505, Cd için 0,96205, naftalen için 0,99262, fenol için 0,99658 ve floren için 0,98547'dir.

Freundlich R² değerleri ise sırasıyla 0,9875, 0,9084, 0,9578, 0,9846, 0,9621 ve 0,9412'dir. Dolayısıyla Hg, Cd, naftalen, fenol ve floren için Langmuir uyumu daha yüksekken Pb için iki model birbirine son derece yakındır ve Freundlich değeri çok az daha yüksektir.

Kaynak içindeki denklem ve sıcaklık tutarsızlığı

Kaynak çalışmanın Freundlich izotermi için verdiği lineer denklem yazımı standart gösterimden farklı görünmektedir. Bilimsel kaynak sadakati nedeniyle denklem burada sessizce değiştirilerek “düzeltilmemiştir”. Benzer şekilde çalışmanın özet, sıcaklık deneyleri ve karşılaştırma tablosu 298 K koşulunu desteklerken sonuç bölümünde optimum kapasitelere ilişkin cümlede 398 K yazmaktadır. Bu nedenle bu Verianla metninde 298 K deneysel bağlam olarak korunmuş, 398 K ifadesi kaynak içi tutarsızlık olarak ayrıca belirtilmiştir.

Rejenerasyon ve kullanım ömrü açısından bulgular

Altı çevrim sonunda Pb giderimi %78'e gerilemiştir. Organik kirleticilerde de performans kaybı görülmüş; naftalen, fenol ve floren için altıncı çevrimde sırasıyla yaklaşık %63, %66 ve %61 giderim raporlanmıştır. Bu sonuçlar adsorbanın yeniden kullanılabildiğini göstermektedir; ancak altı çevrimlik deney endüstriyel kullanım ömrünün tamamını temsil etmez.

Çalışmanın mühendislik açısından güçlü yanı, tek bir adsorban tasarımıyla hem metal iyonlarının hem de organik kirleticilerin tutulmasını ve adsorbanın tekrar kullanımını birlikte değerlendirmesidir. Temel sınırlılığı ise bu performansın sürekli akışlı, yüksek debili ve uzun süreli endüstriyel işletmede henüz doğrulanmamış olmasıdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Adsorption of heavy metal ions and organic pollutants from refining wastewater by magnetically synthesized silver nanoparticles coated with graphene oxide

Yazarlar: Salma S. Syed; Liya Jacob; Fawzi Banat; Nahla Rizk; Valentina Segneri; Kamran Alam; Abdul Hai.

Sorumlu yazarlar: Kamran Alam ve Abdul Hai.

Kurumlar: Khalifa University Department of Chemistry; Norwegian University of Science and Technology Department of Materials Science and Engineering; Khalifa University Department of Chemical and Petroleum Engineering; Khalifa University Food Security and Technology Center; Khalifa University Department of Biomedical Engineering and Biotechnology; Sapienza University of Rome Department of Chemical Engineering.

Dergi: Scientific Reports

Cilt / makale numarası: 16 / 7681

Yayın yılı: 2026

Yayın tarihi: 26 Şubat 2026

DOI: 10.1038/s41598-025-26709-3

Resmî yayın bağlantısı:Nature / Scientific Reports resmî makale sayfası

Kaynak türü ve hakemlik: Scientific Reports'ta yayımlanmış hakemli özgün araştırma makalesidir.

Lisans: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0). Lisans uyarlanmış kaynak görsellerinin dağıtımına izin vermediğinden bu Verianla makalesinde çalışmanın özgün şekilleri yeniden çizilmemiş veya uyarlanmış olarak sunulmamıştır.

Finansman: Yazarlar Khalifa University of Science and Technology, Abu Dhabi'ye finansman için teşekkür etmektedir.

Veri erişilebilirliği: Çalışmada kullanılan ve/veya analiz edilen veri setlerinin makul talep üzerine sorumlu yazardan edinilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bulunmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma SS, AH ve FB; yöntem SS ve LJ; gözetim FB, AH ve KA; doğrulama SS, LJ, NR, KA ve VS; görselleştirme SS, LJ ve NR; kaynaklar FB; özgün taslak SS ve AH; inceleme ve düzenleme FB, KA ve AH tarafından gerçekleştirilmiştir.

Bu Verianla içeriğinin bilimsel bulguları yalnız incelenen çalışmaya dayanmaktadır. Bibliyografik alanlar resmî yayın kaydıyla doğrulanmış; dış kaynaklardan yeni deneysel sonuç, yeni performans değeri veya ek mekanizma ana bilimsel içeriğe katılmamıştır.

Çalışmanın temel sınırı laboratuvar ölçekli batch adsorpsiyon deneylerine dayanmasıdır. Gerçek rafineri atıksuyu kaynağı belirtilmesine rağmen geliştirilen Ag-GONA sisteminin tam ölçekli sürekli arıtma hattında uzun süreli saha doğrulaması gösterilmemiştir. Rejenerasyon altı çevrimle sınırlandırılmıştır. Ayrıca kaynak içinde 298 K/398 K sıcaklık farkı, Pb maksimum kapasitesinin 326/326,77 mg/g biçiminde iki farklı gösterimi ve bazı izoterm/mekanizma ifadelerinde metodolojik tutarsızlıklar bulunmaktadır.