Fotokatalitik oksidasyon prosesi için uygun ZnO tutuklama yöntemi ve reaktör konfigürasyonunun geliştirilmesi
Development of suitables ZnO deposition method and reactor configuration for photocatalytic oxidation process
Yazar: ABDURRAHMAN AKYOL
Danışman: PROF. DR. MAHMUT RAHİM BAYRAMOĞLU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Fotobozunma = Photodegradation ; Çinko oksit = Zinc oxide ; İleri oksitlenme süreçleri = Advanced oxidation processes ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu tezde, cam, seramik ve kuvars malzemeler üzerinde ince film ZnO tutuklamak (veya kaplamak) amacıyla amonyum çinkat kimyasal çözelti çöktürme yöntemi geliştirilmiştir. Yöntem, boncuk, halka ve boru formunda materyallar üzerinde ucuz kimyasallarla kolayca uygulanabilmektedir. Katalitik filmler XRD, AFM, SEM, temas açısı ölçümü gibi değişik tekniklerle karakterize edilmiştir. XRD analizi katalizör filmindeki ZnO'in amorf yapı ile birlikte wurtzite (zincite) kristal yapısında oluştuğunu göstermiştir. SEM görüntüleriyle cam ve seramik yüzeyindeki ortalama ZnO tane çapı 300?400 nm arasında görülmüştür. Ayrıca, ince film kalınlığı 20 kaplama sonucunda 1,41 µm olarak hesaplanmıştır. Temas açısı analizinde ZnO ince film yüzeyinin hidrofilik davranış sergilediği belirlenmiştir. Yarı-iletken filmlerin optik geçirgenliği band gap değeri 3.24 eV olarak ölçülmüştür. Fotokatalitik aktivite testi için bilgisayar destekli bir sistem geliştirilmiştir. Yalancı 1. mertebe kinetik model hız sabitleri ile proses değişkenleri arasında modeller kurulmuştur. Bu amaçla boru çapı ve destek malzeme tipine ve çapına bağlı olarak; substrat konsantrasyonu, volumetrik foton soğurma hızı, volumetrik veya yüzeysel katalizör yüklemesi proses değişkenleri olarak incelenmiştir. Model substrat olarak Acid oranj 52 ve bir tekstil azo boyar maddesi kullanılmıştır. Tezde toz katalizörün süspanse halde kullanıldığı ?çamur? tipi reaktör, iç duvarları ZnO film ile kaplı ?boru? tipi reaktör ve ZnO film kaplı değişik destek malzemeleri ile dolu ?sabit yataklı? reaktör olmak üzere 3 çeşit reaktör üzerinde durulmuştur. Katalitik performans karşılaştırılmaları ile boru tip reaktörün en uygun reaktör tipi olduğu belirlenmiştir.Sonuç olarak, geliştirilen yöntem ile toz ZnO ile aynı fotokatalitik aktiviteye sahip ince filmler üretildiği kinetik hesaplarla görülmüştür. İç duvarı film kaplı boru tipi reaktör ile her iki boyarmaddenin fotokatalitik oksidasyonunda yüksek performans elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, an ammonium zincate chemical bath deposition method is developed for thin film ZnO coating on various materials. The method is easily applied using chemicals of low cost on glass, ceramic, quartz supports of bead, ring and tube forms. Catalytic films are characterized by various techniques such as XRD, AFM, SEM and contact angle measurements. XRD analysis showed that ZnO is formed in the catalyst film in Wurtzite (zincite) cristal structure along with amorph form. The mean size of ZnO particles on glass and ceramic surfaces was measured between 300-400 nm by means of SEM photographs. Furthermore, thin film thickness was calculated as 1.41 µm after 20 coatings. Contact angle measurements determined an hydrophillic behaviour on thin film surfaces. The optical band gap of semi-conductive thin film was measured as 3.24 eV. A computer assisted system was set up for photocatalytic activity tests. Models are obtained between pseudo first order rate constants and process variables. For this purpose, substrat concentration, volumetric photonic absorption rate, volumetric or superficial catalyst loading are investigated as process variables depending on the type and size of support material. Acid oranj 52 (Methyl orange) and a textile azo dye are used as model substrats.Three types of photocatalytic reactors were considered in the thesis: 1) Slurry type reactor with suspended ZnO particles, 2) Tubular type reactor with ZnO film coated on inner walls, 3) A fixed-bed reactor loaded by various supports materials coated with ZnO film. Based on catalytic performance comparisons, tubular type reactor was selected as the most suitable reactor type.In conclusion, thin films with the same photocatalytic activity as ZnO powder were produced using the proposed method. High photocatalytic degradation performances were obtained with both dyes using tubular reactor with inner wall coated with ZnO film.