Yeşil Kimyanın Atık Önleme İlkesi

Nanoparçacıkların eldesi, özellikleri, verimliliği ve kullanım alanları kimya biliminin güncel araştırma konuları arasındadır. Buna bağlı olarak metal nanoparçacıkların (metal NP) sentezi son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. Metal nanoparçacıklar, 1 ila 100 nanometre arasında değişen genellikle kolloidal nanoparçacıklardır ve malzeme, elektronik, kozmetik, kaplama, paketleme, biyoteknoloji gibi alanlarda kullanılır. Örneğin ev aletlerinde, özellikle antibakteriyel özelliğinden dolayı sağlık endüstrisinde, gıda saklama uygulamalarında ve tekstil ürünlerinde gümüş nanoparçacıklardan yararlanılır. Bakır metaline kıyasla bakır nanoparçacıklar çok daha iletkendir; bakır metali ile elde edilemeyen iletken mürekkep, bakır nanoparçacıklar (CuNP) ile elde edilir ve bu mürekkep elektrik devrelerinin, elektronik malzemelerin, çiplerin ve elektronik tekstillerin tasarımını kolaylaştırır.

Nanoparçacık Sentezinde İki Temel Yaklaşım

Nanoparçacık sentezinde genellikle yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya olmak üzere iki farklı yaklaşım vardır. Yukarıdan aşağıya yaklaşımında enerji kullanılarak yığınlar yavaş yavaş nanoboyuta ayrılır; örneğin kurşun kalem ucundan (grafit) elektrik enerjisi kullanılarak grafen (nanoparçacık) eldesi bu yaklaşıma örnektir. Aşağıdan yukarıya yaklaşımında ise atomik veya moleküler boyuttaki malzemeler tepkimeye sokularak nanoparçacık oluşturulur; bu yaklaşım nanoparçacıkların kimyasal ve biyolojik sentezlerinde yaygın olarak kullanılır.

Nanoparçacık eldesi için uygulanan fiziksel ve kimyasal sentez yöntemlerinde kullanılan kimyasalların çevresel ve biyolojik risklerinin olduğu ve ekonomik olmadığı bilinmektedir. Bu sebeple günümüzde nanoparçacıkların sentezinde daha ekonomik, çevre dostu, toksik etkisi olmayan biyolojik yöntemler (yeşil sentez) tercih edilmektedir. Yeşil sentez için bakteri, maya, bitkilerin kök, gövde, yaprak ve çiçek gibi kısımları veya evsel atıklar kullanılır. Bu sentezde inorganik metal iyonlarının metal nanoparçacıklara dönüşmesi sırasında daha az kimyasal kullanılır.

Yeşil Kimya Kavramı

Yeşil sentez yönteminde metal iyonların dışında kullanılacak olan tüm kimyasallar yerini doğadan elde edilecek malzemelere, evsel atıklara, endüstri ya da sanayi atıklarına bırakır. Özellikle evsel atıkların kullanılması, atıkların geri kazanılması, doğanın korunması ve ekolojik sürdürülebilirliğin sağlanması için önemlidir. Bu yöntemle nanoteknoloji alanında "yeşil kimya" kavramı ön plana çıkmaktadır. Yeşil kimya, zararlı maddelerin kullanımını ve oluşumunu azaltmak için kimyasal işlemler tasarlamayı ve yürütmeyi amaçlar.

Yeşil Kimyanın 12 İlkesi

Yeşil kimya uygulamalarına rehberlik edecek ilkeler şu şekilde belirlenmiştir:

1. Atık Önleme: Kimyasal bir süreç sonucunda atık oluşumunun en aza indirilmesi ve/veya yok edilmesidir.
2. Atom Ekonomisi: Ham maddenin daha verimli kullanılması, daha az yan ürün oluşturulması ve atık tasarrufu sağlanmasıdır.
3. Daha Az Tehlikeli Kimyasal Sentez: İnsan sağlığına ve çevreye toksik etkisi olmayan veya çok az toksik etkisi olan malzemelerin üretilmesi veya kullanılmasıdır.
4. Daha Güvenli Kimyasallar Tasarlamak: Toksik özelliklerin en az seviyeye indirilerek istenilen özelliklere sahip kimyasalların tasarlanmasıdır.
5. Daha Güvenli Çözücüler ve Yardımcı Maddeler: Gerekmedikçe çözücülerin ve yardımcı malzemelerin kullanılmaması, gerektiğinde ise az miktarda kullanılmasıdır.
6. Enerji Verimliliği İçin Tasarım: Enerji tasarrufu ve verimliliği daha az atık, daha az kirliliğin yanı sıra daha çok tasarruf ve kazanç anlamına gelir.
7. Yenilenebilir Ham Maddelerle Daha Yeşil Sentezler: Kimyasal süreçte kullanılacak ham maddelerin yenilenebilir ve sürdürülebilir olmasıdır.
8. Yan Ürünlerin Azaltılması: Gereksiz işlemlerin mümkün olduğunca azaltılması veya yapılmamasıdır.
9. Kataliz: Enerji ihtiyacını azaltan, seçiciliği artıran ve daha az zararlı tepkime koşulları sağlayan katalizörlerin kullanılmasıdır.
10. Bozunmanın Tasarımı: Tasarlanan kimyasal ürünlerin zararsız bozunma ürünlerine dönüşebilmesi ve çevrede kalıcı olmamasıdır.
11. Gerçek Zamanlı Kirlilik Analizi: Kimyasal sürecin izlenmesi ve kontrolün sağlanmasıdır.
12. Kazanın Önlenmesi ve Daha Güvenli Bir Kimya: Kimyasal süreç ve kullanılan maddelerin kimyasal kaza potansiyelini en aza indirecek şekilde seçilmesidir.

Evsel Atıklardan Nanoparçacık Eldesi

Yeşil sentez ilkeleri günlük hayattaki evsel atıklarla somut olarak uygulanabilir. Portakal kabukları, limon kabukları, kivi kabukları, kuru yemiş kabukları, kurumuş çimen ve kurumuş yeşillikler (roka, dereotu, maydanoz) gibi evsel atıklar, saf suda kaynatılıp süzüldükten sonra elde edilen süzüntü, gümüş nitrat (AgNO₃) veya bakır(II) klorür (CuCl₂) çözeltisiyle tepkimeye sokularak gümüş veya bakır nanoparçacık elde etmek için kullanılabilir. Bu yöntem, hem atıkların değerlendirilmesini hem de toksik kimyasallar yerine doğal indirgen maddelerin kullanılmasını sağlar.

Deneyde kullanılan malzeme miktarının ve türünün sonuç üzerindeki etkisi somut verilerle gözlemlenebilir: örneğin bir deneyde 20 mL gümüş nitrat çözeltisi ile 2 mL sodyum sitrat çözeltisi kullanıldığında 18 nm boyutunda AgNP elde edilirken; 50 mL gümüş nitrat çözeltisi ile 125 mL üzüm bitkisi yaprak özütü kullanıldığında 16 nm, 150 mL üzüm yaprağı özütü kullanıldığında ise 14 nm boyutunda AgNP elde edilmiştir. Bitkisel özüt miktarı arttıkça elde edilen nanoparçacık boyutunun küçüldüğü görülür. Sodyum borhidrür çözeltisi kullanılan deneylerde (10 mL AgNO₃ + 25 mL veya 20 mL sodyum borhidrür) elde edilen AgNP boyutları 20-21 nm olup, bitkisel özüt kullanılan gruplara göre daha büyüktür; nar kabuğu özütü kullanılan bir deneyde ise 19 nm boyutunda AgNP elde edilmiştir. Bu karşılaştırma, yeşil sentezde kullanılan doğal indirgen maddenin (bitki özütü gibi) hem daha güvenli olduğunu hem de sentetik kimyasallara (sodyum borhidrür gibi) kıyasla farklı boyut ve verimlilikte nanoparçacık üretimine yol açabileceğini gösterir.

Sağlık Alanında Gümüş Nanoparçacık Kullanımı

Gümüş nanoparçacıklar (AgNP) mikroorganizmaları öldürme veya bunların büyümelerini durdurma (inhibe etme) özelliğinden dolayı sağlık alanında kullanılır. Örneğin AgNP emdirilmiş yara bantları, yarada bakteri üremesini engelleyerek yara enfeksiyonunu azaltır; ancak bu yara bandının etkili çalışabilmesi için yarayla doğrudan temas hâlinde olması gerekir. Nanoparçacıkların yüksek yüzey alanı/hacim oranı, yüzeyin daha fazlasının kimyasal tepkimeye girmesine olanak tanır; bu durum nanoparçacıkların özelliklerinin daha etkili olmasını sağlar.

Yeşil Kimya ve Sürdürülebilir Kalkınma İlişkisi

Yeşil kimyanın ilkeleri sürdürülebilir kalkınma üzerinde de etkilidir. Sanayinin hızlı gelişmesi üretim ve tüketim artışına yol açmış, bu hızlı üretim ve tüketim süreçleri zararlı olabilecek birçok endüstriyel atığı ortaya çıkarmıştır. Yeşil kimya, bu atıkların önlenmesi yönünde edindiği temel ilkelerle sürdürülebilir kalkınmanın 12. hedefi olan sorumlu tüketim ve üretim hedefine katkıda bulunur. Bu ilkeyle doğal kaynakların etkin kullanımı ve sürdürülebilir yönetimi, atık üretiminin önlenmesi, yeniden kullanım ve geri kazanım yoluyla azaltılması, ülke kaynaklarının sürdürülebilir bir şekilde kullanılması, kimyasal maddelerin ve atıkların çevre dostu yönetimi ve sürdürülebilir kalkınma bilincinin artırılması hedeflenir.