Design, characterization,and performance tests of nanofibrous filter for removal of volatile organic compounds (VOCs) by photocatalytic oxidation (PCO) for aircraft cabin air filtration applications

Dünyamız artan endüstrileşme, yüksek nüfus artışı ve çarpık kentleşme gibi sebeplerden ötürü bir çok anlamda olumsuz durumla karşılaşmaktadır. Bu olumsuzluklardan en başta gelenlerinden birisi ise su kirliliği ve hava kirliliğini meydana getiren çevre kirliliğidir. Hava kalitesi sağlık açısından büyük öneme sahiptir, insanların çoğu zamanlarını geçirdiği ev, ofis, ulaşım araçları gibi kapalı ortamlarda dış ortamdakine göre daha düşük özelliklere sahiptir ve bu durum insan sağlığını, çalışma verimliliğini ve yaşam konforunu doğrudan etkilemektedir. Dışarıdaki hava ortamından daha az sirküle olması ve daha durağan bir hava yapısına sahip olmasından ötürü, iç ortamlardaki hava kalitesinin dış ortam hava kalitesine göre daha düşük olmasına neden olan tozlar, virüsler, bakteriler, karbon oksitler, nitrojen oksitler ve organik uçucu bileşikler gibi birçok kirletici bulunmaktadır. Bu kirleticilerden kimisinin insan üzerinde ciddi bir etkisi olmaz iken bazılarının ölümcül etkileri dahi olabilmektedir. Kısmen daha az etkisi olduğunu söyleyebileceğimiz uçucu organik bileşikler ise insanların özellikle iç ortamlarda soludukları başlıca kimyasal organik kirleticilerdir. Özellikle hava yolu ile bulaşan bulaşıcı hastalıklar gibi hastalıkların önlenmesi amacıyla filtrasyon teknolojilerinde ciddi çalışmalar yapılmaktadır. Kapalı bir ortam olan ulaşım araçları geçirilen zamanın azımsanmayacak derecede olduğu yerlerden biri olarak tanımlanabilir ve diğer taşıtlarda olduğu gibi uçak kabinlerinin hava kalitesi de doğrudan yolcu konforunu etkilemektedir. Uçak kabinindeki hava kalitesi; irtifa, basınç, uçuş süresi, dehidrasyon, nem ve yolcu sayısı gibi parametrelerden ve bunların yanında kabin içerisindeki çeşitli etmenlerden ötürü oluşan kirletici maddeler hava kalitesini etkileyebilmektedir. Özellikle uzun süreli uçuşlarda, kabin hava kalitesi yolcu ve kabin ekibini konfor ve sağlık açılarından kısa süreli uçuşlara göre daha fazla etkilemektedir. Kirleticiler arasında en yoğun olarak rastlanan uçucu organik bileşikler (VOCler)'in yoğunluğu, uçak içerisindeki yemek ve alkol servisleri, yolcu eşyaları ve ürünleri, kabin içi yapı malzemeleri ile boya maddeleri ve dış hava gibi birçok biyolojik ya da yapay kaynaklar nedeniyle artar. Kabin içerisinde yüksek konsantrasyon VOClerin yüksek konsantrasyon seviyelerine ulaşması durumunda özellikle uzun yolculuklarda, yolcular ve kabin ekibinde halsizlik, baş ağrısı, yorgunluk ve bulantı gibi birçok sağlık problemleri görülmesi olasıdır. Bu olumsuz etkilerinden ötürü, VOClerin uçak kabini içerisinde uzaklaştırılması yolcuların ve kabin ekibinin konforu ve sağlığı açısından önemli bir noktaya gelmiştir. Bu kapsamda bir çok akademik çalışma yapılmakta olup çalışmalar kapsamında geliştirilen filtreler VOCleri gaz fazından katı faza dönüştürerek sistem içerisinde hapsetme prosesine dayanan mekanizmalar geliştirilmiştir ve bu geliştirilen filtreler bazı yolcu uçaklarında kullanılmaktadır. Bu tipteki filtrelerin gazı depolama prensibine göre çalışmasından ötürü zaman zaman değiştirilmesi ve yenilenmeleri gerekmektedir ki bu durumda hava yollarının ve uçak üreticilerinin kaçınmak istedikleri bir durum olan ekstra iş gücü ve ek maliyetler getirmektedir. VOCleri katalizör ve kullanılan katalizörün bant aralığına göre ultraviyole veya görünür ışık seviyesindeki, ışık yardımıyla zararsız olan karbon dioksit ve su buharına dönüştüren fotokatalitik oksidasyon yöntemi, kabin içerisindeki VOClerin temizlenmesi için en etkili ve ümit vaad eden yollardan biri olarak görülmektedir. UV ışık altında aktifleşen titanyum dioksit (TiO2) hem zehirli olmaması, hem ekonomik olarak uygun olması hem de uygulamadaki kolaylık ve lojistik imkanlarının iyiliğinden ötürü fotokatalitik tepkimelerde kullanılan en verimli katalizörlerden birisidir. Filtrasyon teknolojilerinde özellikle membranların üretiminde olduğu gibi fotokatalitik oksidasyon yönteminin kullanıldığı sistemlerde de ışık altında kalan alanı tanımlayan aktif yüzey alanı büyüklüğü verimliliği etkileyen çok önemli bir parametredir. Aktif yüzey alanını değiştirmenin en kolay ve en efektif yolu ise kullanılan fiber çaplarında değişklik yapmaktır. Daha fazla verimlilik için daha yüksek yüzey alanının gerektiği düşünülecek olursa, fiber çapını küçültmenin en etkili yol olacağı söylenilebilir. Günümüzde ince fiber çaplarının talep edildiği durumlarda akla ilk gelen fiber yapısı nano ebattaki çaplara sahip olan nanofiberlerdir. Bu tip fiberlerin üretiminde çeşitli metodlar olup en genel olarak kullanılan yöntem kolaylığı ve ekonomikliğinden ötürü electrospinning yöntemidir. Electrospinning yöntemi ile nano boyutta fiberler üretmek mümkün olmakta ve istenilen yüksek yüzey alanı bu yöntem ile sağlanılabilmektedir. Üretilen bu filtrelere hava geçirgenlik, taramalı elektron mikroskobu (SEM) vb. gibi karakterizasyon testleri uygulanılarak, filtrenin morfolojik ve fiziksel yapısı hakkında bilgi sahibi olunulmuştur. VOClerin fotokatalitik olarak ortamdan uzaklaştırılması için nano lif yapılı filtrelerin üretimi, filtrelerin karakterizasyonları, filtrelerin verimlilik testleri, reaktörün tasarımı ve geliştirilmesi bu çalışmanın ana konusunu oluşturmaktadır. Geleneksel floresan UV lambaların daha yüksek enerji seviyelerine rağmen, UV dalga boyuna sahip ışık yayan diyotlar (LED) yenilikçi, sağlıklı ve yüksek verimli ışık kaynağı olmalarından ötürü bu çalışmalar kapsamında ilk çalışmalarda geleneksel floresan UV lamba kullanılırken çalışmaların ilerleyen kısımlarında ki bu büyük bir bölümünü kapsıyor UV-LED teknolojisi tercih edilmiştir. Electrospinning yöntemi ile yüksek voltaj uygulaması sonucunda üretilen nanofiberler (NF) filtrenin ana iskeletini oluşturmuşlardır. Filtrenin asıl işlevini kazanmasını sağlayan katalizörler yüksek yüzey alanı elde edebilmek amacıyla nano partikül olarak seçilmiş ve 2 farklı yöntem ile NF yapı üzerine biriktirilmiştir. Birisinde fiberlerin katalizör ile beraber üretimi ile katalizör olan partiküllerin NF içerisine gömülmesi metoduyla çalışılırken diğerinde prensipte electrospinning yöntemine benzer olan electrospraying ile NFler üzerine püskürtülmüştür. Bu kapsamda farklı miktarlardaki katalizörlerin filtre verimliliğindeki etkisini gözlemleyebilmek amacıyla farklı oranlarda katalizörler NFler üzerinde biriktirilmiştir. Çalışmalarımız kapsaminda literatürde de çok yoğun bir şekilde kullanılan ticari TiO2 olarak adlandırılan ve bizim de kullandığımız Degussa P25'e alternatif olarak daha yüksek verimliliğe sahip olması hedeflenilen sol-gel yöntemi ile üretilmiş olan TiO2 katalizörlerin de nanofiber yapı üzerinde electrosprayleme yöntemi ile biriktirilmesi yapılmıştır. Demir, nitrojen, ve demir ile nitrojenin birleşiminden meydana gelen co-doped sol-gel TiO2 filtrelerin bant boşluklarının düşürerek daha yüksek verimlilik elde edilmeye çalışılmıştır. Bu üretilen filtreler iki farklı nesilden meydana gelen ve bizim tarafımızından dizayn edilen reaktörün içerisine yerleştirilerek, konsantrasyonu kontrol edilebilir düzeyde VOC içeren gazlar gönderilerek test edilmiştir. İlk nesil olan reaktör içerisinde geleneksel fluoresan UV lamba kullanılırken, 2. nesil reaktör için düşük ışık yoğunluğuna sahip olan UV-LEDler ve daha sonraki çalışmalarda daha yüksek özelliklere sahip olan ve bir önceki nesil LEDler ile gerçekleştirilen testlere göre daha yüksek verimlilikle sonuçlanması beklenen UV-LEDler tercih edilmiştir. UV lamba ve birinci nesil UV-LEDler ile yapılan çalışmalar VOC kaynaklarının gaz fazından sıkıştırılmış olarak bulunduğu tüplerden sağlanırken ikinci nesildeki VOC kaynaklarımız sıvı fazdaki VOCler olmuştur. Bu sıvı fazdaki VOCler gaz fazına döndürülerek sisteme verilmiştir. Yine birinci nesil test sonuçları aktif karbonlar üzerinden analiz yapılırken, ikinci nesil UV-LEDler ile yapılan çalışmalar kütle spektrometresi (MS) cihazı üzerinden yapılmıştır. Böylece aslında 2. nesil UV-LED sistemi hem kullanım açısından hem de verilerin güvenilirliği açısından önemli bir gelişme noktası olmuştur. Sonuç olarak, VOClerin yolcu ve uçuş ekibi üzerindeki etkileri göz önüne alındığında kabin içerisindeki VOC miktarını azaltmak, uçak üreticilerinin ve havayolu şirketlerinin önemli ve güncel bir sorunu haline gelmiştir. Yüksek Verimli Partikül Hava (HEPA- type) filtreleri günümüzde birçok uçakta kullanılsa da, VOClerin kabin içerisinden temizlenmesi konusunda herhangi bi yeterlilikleri kesinlikle yoktur. Bu durumdan ötürü, fotokatalitik oksidasyon yöntemiyle donatılmış filtrasyon sisteminin tasarlanması ve kullanılması bir gereklilik haline gelmiştir. Bu projenin temel amacı, uçak içerisinde kullanılmak üzere, nano fiber temelli filtrelerin araştırılması ve geliştirilmesi, filtrelerin yerleştirileceği reaktörün geleneksel lamba ve LED teknolojisi kullanılarak geliştirilmesi, VOClerin nano üretilen filtreler kullanılarak ultraviyole ışık altında fotokatalitik reaksiyonlar gerçekleştirilerek uzaklaştırılması ve bu filtrelerin optimizasyonu.