Kapalı ortamdaki uçucu organik bileşenlerin fotokatalitik oksidasyon ile giderimi için tio2 bazlı katalizör geliştirme

Canlı yaşamı için vazgeçilmez unsurlardan biri olan hava, gelişen sanayileşme, çoğalan ulaşım araçlarından salınan egzoz gazları ve benzeri sebeplerle hızla kirlenmektedir. Uçucu organik bileşikler, azot oksitler (NOx), kükürt oksitler (SOx), karbon monoksit (CO) ve partiküler maddeler (PM10 veya PM2.5) ile kirlenen havanın solunması, tüm canlılar üzerinde dikkate değer olumsuz sonuçlara sebep olmaktadır. Hava kirliliği maruziyetinden dolayı kalp rahatsızlıkları, kanser, astım, alerji, tahriş ve verim kaybı gibi ciddi sağlık sorunları ortaya çıkabilmekte hatta bu sağlık sorunları hayat kayıplarına da neden olabilmektedir. Bu sonuçlar solunan hava kalitesinin önemini açıkça ortaya koymaktadır. Bu çalışmada TiO2 bazlı fotokatalizör geliştirerek, bir çoğunun kanserojen veya mutajenik olduğu bilinen iç ortamdaki uçucu organik bileşiklerin fotokatalitik oksidasyon yöntemiyle giderilmesi amaçlanmıştır. İlk olarak piyasada bulunan TiO2 bazlı fotokatalizörleri incelemek ve geliştirmek amacıyla pazar araştırması yapılmıştır. Araştırma sonucunda ticari olarak satılan anataz, rutil, %50 karışım ve Degussa P25 kristal yapılarında TiO2'ler temin edilmiştir. Bu fotokatalizörleri incelemek amacıyla UV-Vis, SEM, XPS, FTIR, TGA, XRD, Raman ve BET analizleri ile karakterizasyon testleri yapılmıştır. Ticari fotokatalizörlerin karakterizasyon testleri değerlendirildiğinde, UV-Vis sonucuna göre temin edilen TiO2'lerin tamamının UV ışık kaynağı ile aktifleşebildiği görülmüştür. SEM analizine göre anataz, rutil, %50 karışım ve Degussa P25 için sırasıyla yaklaşık 176 nm, 603 nm, 322 nm ve 164 nm parçacık boyutu ölçülmüştür. XRD, Raman, XPS ve FTIR analizleri ile anataz ve rutil formlarının kristal yapıları, yüzey analizleri ve kimyasal bağ yapılarının farkları ortaya konulmuştur. Ticari fotokatalizörlerin karakterizasyon sonuçlarına göre, TiO2'lerin parçacık boyutlarının daha küçük olabileceği, UV ışık kaynağı ile değil görünür ışık kaynağı ile aktifleşebileceği, bu sayede daha düşük maliyetle daha yüksek fotokatalitik performans sağlayan fotokatalizörler elde edilebileceği öngörülerek sentez çalışmaları yapılmasına karar verilmiştir. Sentez çalışmaları kapsamında, öncelikle sol-jel yöntemiyle titanyum tetraizopropoksit, hidroklorik asit, etanol ve su kullanarak toz formda TiO2 elde edilmiştir. Daha sonra, görünür ışık kaynağı ile aktifleşebilen metal katkılı fotokatalizörler sentezlenmiştir. Metal kaynağı olarak sodyum nitrit ve demir sülfat heptahidrat kullanılarak sodyum katkılı Na-TiO2 ve demir katkılı Fe-TiO2 fotokatalizörleri elde edilmiştir. Sentezlenen toz formdaki fotokatalizörlerin karakterizasyon testleri UV-Vis, SEM, FTIR, TGA, XRD ve BET analizleri ile yapılmıştır. UV-Vis sonuçları değerlendirildiğinde, TiO2 ve Na-TiO2'nin uyarılması için UV ışık kaynağı gerekirken Fe-TiO2'nin görünür ışık ile de aktifleşebileceği görülmüştür. SEM analiz sonuçları değerlendirildiğinde, TiO2, Na-TiO2 ve Fe-TiO2 için sırasıyla yaklaşık 101 nm, 70 nm ve 65 nm parçacık boyutu ölçülmüş ve ticari fotokatalizörlerden daha küçük parçacık boyutuna sahip fotokatalizörler elde edildiği sonucuna varılmıştır. Diğer karakterizasyon testleri değerlendirilip, yapıları bilinen ticari fotokatalizörlerin karakterizasyon sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, sentezlenen toz formdaki tüm fotokatalizörlerin anataz kristal yapısına daha yakın olduğu sonucuna varılmıştır. Elde edilen toz fotokatalizörlerin performanslarını değerlendirebilmek için bu fotokatalizörlerin ya pelet haline getirilmesi ya da kaplama yapılması gerekmektedir. Ancak, pelet haline getirmek maliyetli bir işlem olduğundan tercih edilmemiştir. Cam yüzey üzerine kaplama yapıldığında ise kaplamaların yüzeye yeterince iyi tutunamadığı ve kolayca aşındığı sorunlarıyla karşılaşılmıştır. Bu sorunlardan dolayı, toz fotokatalizörlerin çözelti halinde sentezlenmesine ve cam yüzeyler üzerine ince film kaplama yapılmasında karar verilmiştir. Çözelti halinde fotokatalizörlerin sentezi için sol-jel yöntemi kullanılmıştır. Titanyum tetraizopropoksit miktarı toz ve çözelti halinde elde edilen fotokatalizörlerde sabit tutulmuştur. Hidroklorik asit, etanol ve su miktarları ise çözelti miktarını arttırmak amacıyla daha fazla kullanılmıştır. Daha sonra, görünür ışık ile aktifleşebilen ince film kaplamalar elde edebilmek amacıyla sodyum nitrit ve demir sülfat heptahidrat metal tuzları kullanılmış ve sodyum katkılı Na-TiO2 ile demir katkılı Fe-TiO2 çözeltileri hazırlanmıştır. Hazırlanan çözeltiler 5 cm x 5 cm x 1 cm (en x boy x kalınlık) ebatlarındaki cam plakaların yüzeyine daldırmalı kaplama yöntemiyle 5 ardışık katman oluşturacak şekilde kaplanmıştır. Bu sayede cam yüzeyler üzerinde TiO2, Na-TiO2 ve Fe-TiO2 ince film kaplamaları elde edilmiştir. Kalsinasyon etkisini görebilmek amacıyla, her bir fotokatalizör için hazırlanan ince film kaplamalarının biri kalsine edilmezken diğeri 400°C sıcaklıkta 20 dakika kalsine edilmiştir. Kaplamalar görsel olarak değerlendirildiğinde, yüzeye iyi tutunduğu ve kolay aşınmadığı görülmüştür. Sentezlenen fotokatalizörlerle ticari fotokatalizörlerin fotokatalitik performanslarını karşılaştırabilmek için ticari Degussa P25 fotokatalizörü seçilmiştir. Öncelikle toz formdaki Degussa P25, izopropanol içinde çözdürülerek Degussa P25 çözeltisi hazırlanmıştır. Sentezlenen çözeltilerle aynı koşullarda daldırmalı kaplama yöntemiyle cam yüzeyler üzerine kaplanmış ve 400°C sıcaklıkta 20 dakika kalsine edilmiştir. Degussa P25 kaplaması görsel olarak incelendiğinde yüzeye yeterince tutunamadığı ve yüzeyden aşınmasının kolay olduğu görülmüştür. İnce film kaplamaların karakterizasyon testleri SEM, AFM ve UV-Vis analizleri ile yapılmıştır. SEM görüntüleri ile kaplamaların yüzey morfolojileri ve kalınlıkları incelendiğinde, yaklaşık 1 µm kaplama kalınlığına sahip ince filmler elde edildiği görülmüştür. AFM sonuçları değerlendirildiğinde ise kalsinasyon işleminin fotokatalizörün yüzeye daha iyi tutunmasını ve daha homojen bir kaplama elde edilmesini sağladığı görülmüştür. Kaplamaların UV-Vis sonuçlarına göre ise, TiO2 ince film kaplamasının görünür ışıkta ışığın en fazla %6'sını, Na-TiO2 ince film kaplamasının en fazla %10'unu ve Fe-TiO2 ince film kaplamasının da en fazla %18'ini yansıttığı, kalan ışığı kullandığı görülmüştür. Bu sonuçlardan, görünür ışıkta aktif fotokatalitik kaplamalar elde edildiği görülmüştür. İnce film kaplamaların fotokatalitik performans testleri 25 L sızdırmaz kabin içinde gerçekleştirilmiştir. UV ışık kaynağı kullanılarak, Degussa P25, TiO2, Na-TiO2 ve Fe-TiO2 ince film kaplamaları için yaklaşık 60 ppm aseton ve 60 ppm hekzan giderimi 8 saat boyunca takip edilmiştir. Degussa P25, TiO2, Na-TiO2 ve Fe-TiO2 sırasıyla %40, %32, %55 ve %66'sını giderdiği görülmüştür. Hekzan giderimi ile fotokatalitik performans testleri gerçekleştiğinde ise Degussa P25, TiO2, Na-TiO2 ve Fe-TiO2 ince film kaplamalarının sırasıyla %22, %28, %37 ve %35 hekzanı giderdiği gözlemlenmiştir. Sentezlenen ince film kaplamalar ile aseton ve hekzan giderimi testlerinde ticari Degussa P25'ten daha yüksek performanslar elde edilmiştir. Aseton gideriminde en iyi fotokatalitik performansa Fe-TiO2 ince film kaplaması sahipken, hekzan gideriminde en yüksek fotokatalitik aktiviteyi Na-TiO2 ince film kaplaması göstermiştir.