Fotokatalizör özellikleri

Fotokatalizörün fiziko-kimyasal özellikleri, baskın kristal fazı ve kristal fazların yüzdesel dağılımı, sentez esnasında kazandırılmış yüzey kimyasal grupları fotokatalitik etkinliği potansiyeline doğrudan etki etmektedir.

Şekil 2.3. Farklı yarı-iletkenler için band boşluğu enerji seviyeleri

Örnek olarak, Titanyum tetra isopropoksit temelli sol-jel eldesinde sol, zayıf asit ile katalize edildiğinde, saf anataz kristal faza sahip nanopartikül elde mümkündür. Rutil-anataz fazlarının bir kombinasyonunu elde etmek amacıyla solün nitrik asit ile katalizlenmesi ve pH:0.5 koşullarının saplanması gerekmektedir (Fisher ve ark. 2013; Schwegmann ve ark. 2013; Reyes-Coronado ve ark. 2008). Saf anataz kristal faz özelliklerine sahip fotokatalizör eldesi, fotokatalitik olarak en etkin faz olması ve daha birçok açıdan ideal olsa da, farklı kristal fazların bulunmasının da (anataz-rutil-brukit) yüzey yük rekombinasyonunu en aza indirerek fotokatalitik akiviteyi geliştirdiği belirtilmektedir (Behnajady ve ark. 2011; Fisher ve ark. 2013; Reyes-Coronado ve ark. 2008).

39

İnce-film fotokataliz uygulamalarında hedef kirleticinin (antibiyotik, antibiyotiklere dirençli bakteri türü vb.) yüzey yükü özelliklerine uygun yüzeysel morfolojik ve kimyasal özelliklere sahip ince-film kullanımı önemli olduğuna literatür değerlendirmesi sonucunda karar verilmiştir. Örnek olarak; Bakterilerin inaktivasyonunda ince-film uygulamaları özelliklere antibiyotiklere dirençli bakterilerin yayılımını önlemek amaçlı uygulamalarda önemli potansiyele sahiptir. TiO2 filmler ile ADB’lerin tamamen inaktive edilebilmesi önemlidir. Bu

nedenle bakteri-incefilm yüzey etkileşimlerinin optimum seviyelerde olması gerektiği bir çok çalışmada önemle belirtilmiştir. Çeşitli tekstil ürünleri (pollietilen ve polyerster vb) üzerine TiO2 filmleri uygulanmış çalışmalarda, ince-film kaplanacak yüzeyin radyo-frekansı

dalgalarıyla veya UV-C ışığı ile ön işlemden geçirilmesi yüzeyin TiO2 tutma kapasitesini

arttırmaktadır. Ve yüzeye kazandırılan polar yüzey grupları ile hidrofilik özelliğin arttığı rapor edilmiştir (Rtimi ve ark. 2015). Yüzeyin hidrofobik/hidrofilik özellikleri bakteri türlerinin yüzeye tutunma kapasitelerini doğrudan etkilemektedir. Escherichia coli bakterisinin hidrofilik yüzeylere tutunma eğiliminde olduğu rapor edilmiştir. Öte yandan Staphylococcus epidermidis vb. hidrofobik bakterilerin daha çok hidrofobik yüzeylere tutunma eğiliminde olduğu bildirilmiştir (Rtimi ve ark. 2015; Schwegmann ve ark. 2013).

Titanyum dioksit nanopartikülüne güneş enerjisi altında verimliliğini arttıracak, uygun yüzeysel ve yapısal modifikasyonlar uygulanmaktadır. Uygulanan modifikasyonlar, metal ve/veya ametaller ile dopantlama, yarı-iletken veya boyar malzemeler ile yüzey işlemleri olarak sayılabilir. Bu etki, band boşluğu enerji seviyesinin azaltılması veya görünür ışık absorpsiyon kapasitesinin arttırılması gibi mekanizmalar üzerinden gerçekleşmektedir. Şekil 2.3 ve 2.4’ te farklı yarı-iletkenler için band boşluğu enerji seviyeleri ifade edilmektedir. Farklı çalışmalarda katyonik ve anyonik dopantların ilavesi ile TiO2’nin UV absorbans spektrumunu görünür bölge

dalga boyuna doğru genişletmenin mümkün olduğu belirtilmiştir. Ayrıca metal/ametal iyon dopantlar ile zenginleştirilen TiO2’nin yüzey rekombinasyon mekanizması sınırlandırılarak

fotokatalitik etkinliğinin arttırıldığı görülmektedir. Bu çalışmalarda çeşitli kimyasallar ve

Escherichia coli’nin fotokatalitik bozunumunda yüksek verimler elde edilmiştir (Gurkan ve

ark. 2012; Özkal ve ark. 2016). P25 Degussa TiO2 ile yürütülen askıda sistem çalışma

sonuçlarına göre; N ve S dopant ilaveli TiO2 görünür ışık altında 90 dakika sonunda 4 log

giderim sağlayabilmektedir. Co dopantı ile daha hızlı bir inaktivasyon sağlandığı belirtimiştir. 106 CFU/mL başlangıç E.coli konsantrasyonu koşulunda yürütülen çalışmalarda, ağırlıksal olarak %1 Co dozu ile 15 dakikada %90 ın üzerinde giderim sağlanmıştır ve bu süre referans TiO2 fotokatalizörü koşulunda 40 dakikanın üzerinde olarak rapor edilmiştir. Benzer verimlilik

40

artışına Mn dopantı ile yürütülen çalışmalarda da rastlanmaktadır. Mn dopant ilaveli TiO2 ile

askıda sistem fotoakataliz uygulamasının %90 oranında bakteri inaktivasyonu süresini 40 dakikadan 10 dakikaya indirdiği rapor edilmiştir. Mn dopantı için ağırlıksal %0.3 oranından fazla dopant katkısının gözlenebilir fotokatalitik aktiviteyi daha fazla iyileştirmediği ayrıca rapor edilmiştir (Venieri, Fraggedaki, ve ark. 2014b). Atıksu arıtma tesisi biyolojik arıtma çıkışı ortamında MS2 fajının (E.coli adlı bakteriyi enfekte eden virüstür) fotokatalitik inaktivasyonun araştırıldığı çalışma sonuçlarına göre çeşitli metal-metal, metal-ametal dopantların çoklu kullanımı çalışmalarında farklı sinerjistik verim artışı sonuçları rapor edilmiştir. 7.5 W/m2 _UV

enerjisi altında, %1 Mn/Co dopantlı TiO2 ile 4 log E.coli giderimi solar simulatör altında 35

dakikada, güneş ışığı altında ise 50 dakikada elde edilmiştir. TiO2 nanopartikülünün çoklu

dopant ile katkılandırılmasının, fotokataliz yüzey mekanizması üzerinde rekombinasyonu minimize edici yönde etki ettiği çeşitli çalışmalarda rapor edilmiştir. Ayrıca Fisher ve ark. (2003)’a göre N dopantlı TiO2 çalışmalarında gözlenen fotokatalitik bakteri inaktivasyonu

seviyesinde düşüş, N atomlarının rekombinasyon noktası olarak görev yapmasından kaynaklanmaktadır (Gfumy ve ark. 2006). Fisher ve ark. (2013) çalışmasında, N ve Cu dopantlı TiO2 ince-film ile kaplı cam boncuklar ile yürütülen fotokataliz çalışmalarında, artan metilen

mavisi giderimi ve E.coli inaktivasyon verimleri elde edilmiştir. Ayrıca TiO2 kaplı borosilikat

şişeler ile 6 saat sonunda tam renk giderimi sağlandığı da rapor edilmiştir. Cu/N dopantlı ince- filmlerin E.coli inaktivasyonu verimi arttırdığı rapor edilmiştir (Fisher ve ark. 2013). TiO2

kaplamanın şişe yerine cam boncuklara uygulanması iel daha yüksek giderim verimleri sağlandığı belirtilmiştir. Burada etkin faktörün, birim hacimde UV ışığına maruz kalan fotokatalizör yüzey alanındaki artış olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca yüzey alanı/hacim oranının artmasıyla mikroorganizma hücreleri ile fotokatalizör arası ortalama mesafe de azaldığından daha etkin inaktivasyon gözlendiği rapor edilmiştir. Bakteri inaktivasyonunda etkin mekanizmanın yüzey etkileşimine dayandığı birçok çalışmada belirtilmiştir. Benzer sonuçlar Cu ve N dopant katkısı sonucu, anti-bakteriyel etkideki gelişmenin belirgin olarak TiO2 kaplı cam boncuklarla yağılan çalışmalarda gözlendiği belirtilmiştir. Cu ve N dopantlı

yüzeylerin fotokataliz prosesi mekanizması sonucu ürettiği ROT kısa ömürlü olduğu ve ancak kısa mesafelere difüze olarak hedef kirleticiye etki edebildiği ortaya konulmuştur (Keane ve ark. 2014). Literatür değerlendirmesi sonucunda elde edilen bulgular, birim fotokataliz yüzey alanı ile reaktör hacmi oranının ve birim FK alanının maruz kaldığı UV enerjisinin önemine işaret etmektedir (Özkal ve Pagano, 2016).

41