Nano boyutlu metal oksit katalizörlerinin hazırlanması ve fotokatalitik aktivitelerinin incelenmesi

Abstract

Su ortamındaki organik zehirli maddelerin giderimi insan ve çevre sağlığı için önemlidir. Bu tip kirleticilerin daha az zararlı bileşiklere dönüşümü veya tam oksidasyonu için etkili yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yöntemler içerisinde, son yıllarda su ve atık su arıtımı için ileri oksidasyon teknolojileri olarak adlandırılan yöntemler dikkat çekmektedir. Bu prosesler organik kirleticilerin gideriminde önemli bir alternatif oluşturmaktadır.Bu proje kapsamında, önemli kirleticilerden biri olan fenolün belirlenen konsantrasyon ve katalizör varlığında bir fotoreaktör sistemi içerisinde, UV ışığı varlığında fotokatalitik oksidasyon reaksiyonu incelenmiştir.Bu çalışmada, UV ışığı absorplayabilecek katalizörlerin hazırlanması amaçlanmıştır. Farklı titanyum kaynakları (Titanyum (IV) isopropoksit, Titanyum (IV) n-bütoksit, Titanyum tetraklorür) kullanılarak sol-jel yöntemiyle TiO2 katalizörleri hazırlanmıştır. Bu katalizörlere alternatif olarak çöktürme yöntemi ile ZrO2 katalizörü hazırlanmıştır. Hazırlanan TiO2 ve ZrO2 katalizörlerinin fotokatalitik etkinliklerini arttırmak amacıyla da farklı yöntemlerle ZrO2-TiO2 ikili metal oksit karışımları hazırlanmıştır. Katalizör hazırlama aşamasında parametre olarak, katalizörü oluşturan maddelerin ağırlıkça yüzdeleri, kalsinasyon sıcaklığı ve süresi göz önünde bulundurulmuştur. Hazırlanan katalizörlerin XRD, BET, FTIR, SEM/TEM ve DRS analizleri ile karakterizasyonları yapıldıktan sonra değişik koşullarda fenolün fotokatalitik oksidasyonu reaksiyonlarında test edilmiştir. Fenol dönüşümü UV-vis spektrofotometrede ve ürün dağılımı analizleri ise yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) ve GC-MS cihazında gerçekleştirilmiştir. Fotokatalitik oksidasyon reaksiyonunu etkileyen UV ışık şiddeti, katalizör miktarı ve başlangıç reaktan konsantrasyonu, karanlıkta bekletme süresi ve pH gibi parametrelerin reaksiyon kinetiğine etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirilerek değişik katalizörlerin fenolün fotokatalitik oksidasyon reaksiyonundaki aktiviteleri karşılaştırılmıştır.TiO2'nin kristal yapısı, katalizör hazırlama yöntemi ve katalizörün yapısındaki ağırlıkça oksit miktarlarının fotokatalitik bozunma üzerinde etkili olduğu anlaşılmıştır. Diğer titanyum kaynaklarına göre TiCl4 kullanılarak hazırlanan TiO2 katalizörü ile fenolün daha kısa sürede bozunması sağlanmıştır. Katı hal dağıtma yöntemi ile hazırlanan %50 ZrO2/TiO2 katalizörünün ticari TiO2 (Degussa P25) katalizöründen daha aktif olduğu görülmüştür.

It is important to remove organic toxic compounds in aqueus media for environment and human health. There is a need to find effective methods for degradation to less harmful compounds or complete oxidation of these pollutants. In recent years, new treatment methods called advanced oxidation technologies have received increasing attention. Advanced oxidation technologies represent a valuable alternative for the elimination of toxic organic contaminants.In this project, photocatalytic oxidation of phenol (one of the major pollutants) was carried out in a photoreactor system by using catalyst and UV light.In this study, preparation of the catalyst that can absorb UV light was aimed. Different titanium sources (titanium (IV) isopropoxide, titanium tetra chloride and titanium (IV) n-butoxide) were used to prepare the catalysts by sol-gel method. As an alternative to these catalysts ZrO2 catalyst prepared by precipitation method. And also, by using different preparation techniques, ZrO2-TiO2 binary metal oxide catalysts were prepared to increase photocatalytic efficiencies of TiO2 and ZrO2. In preparing the catalyst, percent by weight of catalyst materials, calcination temperature and time were considered as parameters. After characterization by XRD, BET, FTIR, SEM/TEM, DRS analysis, these catalysts were used in photocatalytic oxidation of phenol under different conditions. Fenol concentration was followed by UV-vis Spectrophotometer and products were analyzed by high performance liquid chromatograph (HPLC) and GC-MS. Some other parameters that affect photocatalytic oxidation reaction like UV light intensity, the amount of catalyst and initial input concentration are considered for reaction kinetics. By using the results, the activity of different catalysts in photocatalytic oxidation reactions of phenol are compared.It was understood that the crystal structure of TiO2, catalyst preparation technique and the oxide amount in catalyst were effective for photocatalytic degradation. Degradation of phenol has been achieved in a shorter time with TiO2 catalyst prepared using TiCl4.It was seen that %50 ZrO2/TiO2 prepared by solid state dispersion technique was more active than commercial catalyst TiO2 (Degussa P25).