Nanohybrid photocatalytic filter production via electrophoretic deposition

Günümüzde artan endüstrileşme, yüksek nüfus artışı ve kentselleşme ile birlikte insanlığı tehdit eden bir çok sorun ortaya çıkmıştır. Başta gelen sorunlardan biri de, insan yaşamının temeli olan su ve hava gibi doğal kaynakların kirlenmesidir. Özellikle iç ortam hava kalitesi, yani insanların çok büyük zamanlarını geçirdikleri ev, ofis,ulaşım araçları gibi kapalı ortamlar dış ortamdaki havaya göre daha düşük bir kaliteye sahiptir. İç ortam hava kalitesinin insanların sağlığını, çalışma verimliliğini ve yaşam konforunu doğrudan etkilediği raporlanmıştır. İç ortamlardaki havanın, dış ortamdaki havadan daha az sirküle ve daha hareketsiz bir yapıya sahip olması ve tozlar, bakteriler, virüsler, karbon oksitler, nitrojen oksitler ve uçucu organik bileşikler gibi bir çok kirletici bulundurduğundan, dış ortam hava kalitesinden daha düşük olmasına neden olmaktadır. Bu kirleticilerden bazılarının insan sağlığı üstünde ciddi bir etkisi olmazken, bazıları ise ölümcül etkilere sahip kanserojen yapılara sahip olabilmektedir. Kısmen daha az etkisi olduğunu söyleyebileceğimiz uçucu organik bileşikler ise insanların özellikle iç ortamlarda soludukları kimyasal organik kirleticilerdir. Bu bilgiler ışığında, hava vasıtasıyla bulaşan hastalıkların önlenmesi, yukarıda bahsedilen zararlı etkileri azaltmak veya yoketmek için filtrasyon teknolojilerinde ciddi çalışmalar yapılmaktadır. Kirleticiler arasında en yoğun olarak rastlanan uçucu organik bileşikler, özellikle yeni binalarda, okullarda, yeni araçlarda, halılarda, zemin kaplamalarında, odun temelli eşyalarda, boyalarda, gazlı ısıtıcılar veya fırınlarda, ofis ekipmanlarında yoğun olarak bulunmaktadır. İç ortamda yüksek konsantrasyona ulaşan uçucu organik bileşiklere uzun süre boyunca maruz kalınması sonucunda, insanlarda halsizlik, baş ağrısı, yorgunluk ve bulantı gibi birçok sağlık problemlerinin görülmesi söz konusu olabilir. Bu olumsuz etkilerinden ötürü, uçucu organik bileşiklerin uzaklaştırılması çok önemli bir çalışma konusu haline gelmiştir. Bu kapsamda bir çok akademik çalışma yapılmakta olup çalışmalar kapsamında geliştirilen filtrelerin çok büyük bir yoğunluğu, gaz fazındaki uçucu organik bileşikleri absorpsiyon ve adsorpsiyon yöntemiyle, katı bir faza hapseden mekanizmalar geliştirilmiştir ve ticari olarak kullanılmaktadır. Örneğin, bunların en bilinenlerinden biri olan aktif karbonun, gazı yüzeyde tutarak çalışmasından ötürü çok sık yenilenmesi ve gaz depolanması sonucu ağırlaşan filtrelerin, kullanıldığı yerde, özellikle taşıtlarda, istenilen özelliği elde etmek için başka ek maliyetlere ve iş gücüne yol açmasına sebep olmaktadır. Uçucu organik bileşikleri, katalizör ve kullanılan katalizöre göre seçilen ışık yardımıyla kısmen zararsız olan karbon dioksit ve su buharına dönüştüren fotokatalitik oksidasyon yöntemi, iç ortamdaki uçucu organik bileşiklerin temizlenmesi için etkili ve ümit vaad eden yöntemlerden biri olarak gözükmektedir. UV ışığı altında aktifleşen titanyum dioksit (TiO2); insan üzerinde bilinen bir kanserojen ve yan etkisinin olmaması, hem ekonomik ve uygulamada kullanılan en yaygın ve fotokatalitik tepkimlerdeki en verimli katalizör olarak bilinmesi, bu katalizörle çalışma yapmaya uygunluğunu göstermektedir. Filtrasyon teknolojilerinde özellikle membranların üretiminde olduğu gibi fotokatalitik oksidayon yönteminin kullanıldığı sistemlerde de ışık altında kalan alanı tanımlayan aktif yüzey alanı büyüklüğü verimliliği etkileyen çok önemli bir parametredir. Verimli bir filtre yapmanın, en kolay ve en efektif yolu ise kullanılan TiO2 tozlarını yüksek yüzey alanlı bir substrata fikslemekten geçmektedir. Yüksek yüzey alanı ise kullanılan substratın lifli olması ve liflerin çaplarının düşük olmasıyla elde edilebilmektedir. Lif çaplarının ince olması nano ebattaki çaplara sahip nanolif yapısını akla getirmektedir. Bu tip fiberlerin üretiminde çeşitli metodlar olup en genel olarak kullanılan yöntem kolaylığı, ekonomikliği ve sistem parametrelerini kontrol edebilmekten dolayı elektro-üretim (electrospinning) yöntemidir. Elektro-üretim yöntemiyle nano boyutta lifler üretmek mümkün olmakta ve istenilen yüksek yüzey alanlı substrat bu yöntem ile sağlanılabilmektedir. Yüksek yüzey alanına sahip bu substrat yapısına TiO2'yi değişik yöntemler kullanarak yapıştırmak mümkündür. Fakat seçilen substratın özelliklerine bağlı olarak kaplama yöntemleri sınırlanmaktadır. Bu tez kapsamında, farklı substratlara üniform ve hızlı bir kaplama yapabilen, elektroforetik depozisyon yöntemiyle kaplama yapılmaktadır. Üretilen filtrelerin morfolojik ve fiziksel yapısı hakkında bilgi sahibi olmak için testler yapılmıştır. Fotokatalitik sistemin kalbinde uygun bir fotokatalizör vardır. Bunun dışında bu fotokatalizörü taşıyacak bir substrat ve kaplama sistemi, fotokatalitik tepkimenin gerçekleşeceği bir reaktör ve yine önemli bir parametre olmak üzere ışık kaynağına ihtiyaç vardır. Bu tez kapsamında bu dört gereksinime yönelik uçaklar için uygulunabilir olacak şekilde yaklaşımlar geliştirilmişitr. Fotokatalizörler malzeme olarak, özellikle fotokatalikte verimi arttırmak için kullanılan özelliklerden biri olan yüksek yüzey alanını elde edebilmek amacıyla, nanopartikül olarak seçilmiştir. Ayrıca literatürde de nanopartikül boyutundaki aktivitesinin çok yüksek olduğu bilinen TiO2 anataz tozları içeren ticari degussa P25 TiO2 tozları kullanılmıştır. Bunun yanı sıra görünür ışıktada aktifleşebilen hemde TiO2 nin bant aralığını düşürerek, fotokatalitik aktivite verimini arttırmak için çalışılmış olan; gümüş doplu TiO2, gümüşle dekore edilmiş TiO2 ve gümüş nanopartikülle beraber yüzeye depolanmış TiO2 olarak ayrı çalışmalar yapılmıştır. Substrat ve kaplama sistemi birbiriyle doğrudan ilgilidir. Uçucu organik bileşiklerin fotokatalitik sistemiyle degredasyonu için nanolif yapılı filtrelerin elektroforetik depozisyonla üretimi, yeni katalizör üretimi ve bunun elektroforetik depozisyonla kaplanması, filtrelerin karakterizasyonları, filtrelerin fotokatalitik testleri, bu tezin ana yapısını oluşturmaktadır. Elektroforetik yöntemiyle depolanmasını kolaylaştırmak için metal kumaşlarda kullanılmıştır. Bu metal kumaşlarında hem ekonomik olması hemde hava geçirgenliğinin yüksek olması çalışma yapma açısından önceliğe sahip olmasına yol açmıştır. Bu çalışmaların hepsinde nano boyuttaki tozları elektroforetik depozisyon yöntemi yardımıyla nanolif veya metal kumaş yüzey üzerine depolama yaparak filtrelerin fotokatalitik verimliliği ölçülmüştür. Işık kaynağı olarak literatürde floresan ultraviyole (UV) lambalarla çalışma daha çok çalışma olmasına rağmen, yenilikçi, zararlı cıva tarzı kimyasallar içermeyen ve yüksek verimli ışık kaynağı olmalarından ötürü UV ışık yayan diyotlar (LED) kullanılmıştır. Yüzey alanı reaktörle arttırmanın mümkün olup olmadığını göstermek için yeni bir reaktör tasarlanarak, birden fazla filtre ve UV-LED modülünden geçmesi sağlanarak test yapılmıştır. Reaktör tasarımında ise iki farklı reaktör kullanılmıştır. Testi kısaca özetlersek, üretilen filtreler, reaktörler içerisine yerleştirilerek, konsantrasyonu kontrol edilebilir düzeyde uçucu organik bileşik içeren gazlar gönderilerek test edilmiştir. İlk yapılan büyük reaktör içerisinde tek bir UV-LED sistemi olan 178 cm2 alana sahip bir reaktördür. Bu reaktörden geçirilen hava sıvı fazdaki uçucu organik bileşiklerin gaz fazına geçirilerek kirletilmiş ve proses boyunca kütle spektrofotometresi tarafından izlenerek meydana getirilmiştir. Giriş ve çıkış arasında hiçbir basınçlandırma yapılmaksızın devamlı gaz geçişi sağlanarak filtrelerin verimlilikleri ölçülmüştür. İkinci olarak yapılan küçük reaktörde ise birden fazla UV-LED sistemi olan ve tanesi 48 cm2 alana sahip 4 adet filtre yerleştirebileceğimiz ve daha yüksek verimliliklerin elde edileceğini düşünerek tasarlanmış bir sistemdir. Ayrıca UV-LED sisteminin ışık yoğunluğu arttırılarak daha yüksek performans elde edebilen bir sistem yapılması amaçlanmıştır. Sonuç olarak uçucu organik bileşiklerin insanlar üzerindeki etkileri göz önüne alındığında iç ortamdaki miktarını azaltmak, özellikle kalabalık mekanlara sahip, otel işletmeleri, uçak, otobüs, metro tarzı taşıma araçları üreticilerinin önemli ve güncel bir sorunu haline gelmiştir. Yüksek verimli partikül hava filtreleri (HEPA) günümüzde birçok kalabalık yerde kullanılsa da, özellikle gaz filtrasyonunda yani uçucu organik bileşiklerin gideriminde herhangi bir yeterlilikleri söz konusu değildir. Bu durumlardan ötürü, ticarileştirilebilir ve geliştirilmeye açık bir fotokatalitik oksidasyon yöntemiyle donatılmış filtrasyon sisteminin tasarlanması ve kullanılması bir gereklilik haline gelmiştir. Tezin temel amacı, iç hava mekanlarında kullanılmak üzere, değişik özelliklere sahip tozların hızlı, ekonomik ve ticari bir yöntem olan elektroforetik depozisyonla değişik substratlar üzerine depolanarak yenilikçi filtrelerin yapılması ve geliştirilmesi, filtrelerin kullanılacağı yerlerde LED teknolojisi kullanılarak insan sağlığına zararlı civa içermeyen ışık kaynağıyla aydınlatılarak geliştirilmesi, uçucu organik bileşiklerin üretilen filtrelerle fotokatalitik reaksiyonlar gerçekleştirilerek uzaklaştırılmasıdır.