Yarı iletken diyot lazerin çevresel uygulamaları
Environmental applications of semiconductor diode laser
Yazar: BARIŞ POLAT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM KÜÇÜKKARA ; PROF. DR. NADİR DİZGE
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tez çalışmasında 5 farklı çevresel uygulamaya yer verilmiştir. Tüm uygulama çalışmaları içerisinde yarı iletken diyot lazer teknolojisi kullanılmıştır. Bu teknoloji ile membran modifikasyonu, membran üretimi, bakteri dezenfeksiyonu, fotokatalitik prosesler için yeni tip fotodegradasyon sistemi ve tekstil atık su renk giderimi çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
"Yarı İletken Diyot Lazer ile Polimer Membran Modifikasyonu" hakkındaki özet bilgiler aşağıda yer almaktadır.
Membran biyo-kirlenmesi, membran bazlı atık su arıtımında en büyük problemlerden biridir. Bu tez çalışmasında, membran biyolojik kirlenmesini azaltmak amacıyla ultrafiltrasyon polietersülfon (UP150) membranını modifiye etmek için yarı iletken diyot lazer teknolojisi kullanılmıştır. Biyo-kirlenmeye karşı membran yapısını iyileştirmek için 405, 520 ve 658 nm gibi farklı dalga boylarına ve 1.5, 2.0, 2.5 mW gibi farklı lazer çıkış güçlerine sahip yarı iletken lazer diyot çipleri kullanılmıştır. Saf su geçirgenliği (Lp), temas açısı, gözeneklilik ve ortalama gözenek boyutu, bozulmamış ve modifiye edilmiş membranlar için belirlenmiştir. Saf UP150 membranın Lp değerinin (1102.0 L/(m2.h.bar)) modifiye membrandan (19.2 L/(m2.h.bar)) daha yüksek olduğu ortaya koyulmuştur. 2.5 mW kırmızı dalga boylu lazer ışığının membran yüzeyine 2 saat süreyle uygulanması ile yüzey hidrofilikliğinin 75.1°'den 61.2°'ye düştüğü, temas açısı değerleri ile kanıtlanmıştır. Membran gözenekliliği %63.2'den %67.7'ye yükselmiştir; bununla birlikte, lazer modifikasyonundan sonra ortalama gözenek boyutunun 88'den 23 nm'ye düştüğü gözlenmiştir.  
  Lazer dalga boyu ve lazerle modifikasyon süresinin, protein (sığır serum albümini, BSA) reddi ve çözünür mikrobiyal ürünlerin (protein ve karbonhidrat olarak) fraksiyonları üzerindeki etkisi sistematik olarak araştırılmıştır. Aktif çamur modifiye membrandan süzüldüğünde karbonhidrat ve protein için maksimum %32.2 ve %41.9'luk bir red elde edilmiştir. Ayrıca, BSA çözeltisi süzüldüğünde, değiştirilmiş membran tarafından %100 BSA reddi elde edilmiştir. Modifiye edilmiş membranlar, modifikasyondan önce ve sonra membranın morfolojik değişikliklerini gözlemlemek için AFM, FTIR, SEM ve mekanik mukavemet testi analizleri ile kapsamlı bir şekilde karakterize edilmiştir. Sonuçlar, lazer uygulamasının membran morfolojisini değiştirdiğini göstermiştir. Sonuçlar, kırmızı dalga boyuna sahip lazerle modifiye edilmiş membranların, bozulmamış membran gözenek boyutunu, gözenekliliğini ve hidrofilikliğini değiştirdiğini göstermiştir. Ayrıca Solidworks 2017 programı kullanılarak, 3D modellenmiş membran yüzeyi üzerinde termal analiz çalışması yapılmıştır.  Bu sayede membran yüzey erimesinin gerçekleştiği ortaya çıkarılmıştır. Wolfram Mathematica 12 programı kullanılarak lazer-malzeme etkileşiminin matematiği ortaya koyulmuştur. Solidworks 2017 programı ile elde edilen termal analiz sonuçları ve lazer-malzeme etkileşim matematiğinden elde edilen sonuçlar arasında %98.7 oranında başarılı bir örtüşme görülmüştür.
"Yarı İletken Diyot Lazer ile Polimer Membran Üretimi" hakkındaki özet bilgiler aşağıda yer almaktadır.
Poliamid (PA) membranlar için yarı iletken lazer diyot destekli Lazer Delme Prosesi (LDP) çalışılmıştır. Deneysel bir çalışma ile birlikte, teorik bir araştırmaya dayalı olarak, tüm deneysel prosedürü simüle etmek için Wolfram Mathematica 12 programı ile matematiksel bir modelleme yapılmıştır. Simülasyon iki bölümden oluşturulmuştur; delme işlemi için malzeme lazer etkileşimi ve entegrasyon zamanlamasına göre malzeme üzerindeki etkileşim bölgesinin koordinatı.
Lazer-malzeme etkileşiminin teorik tarafında (bu çalışma için PA), termal analiz, gözenekli yüzey analizi, eriyik cephe genişleme verimliliği ve Isıdan Etkilenen Bölge (Heat Affected Zone, HAZ) yarıçapı gibi ana parametreler lazer ışığı atım uzunluğu ve lazer ışını enerji yoğunluğu (yani odaklanmış lazer ışını çapı, nokta boyutu) açısından incelenmiştir. Gözenekli yüzey analizi yapılmış ve PA yüzeyindeki gözenek boyutlarının 0.5 µm'den 5 µm'ye değiştiği gözlenmiştir. Erime cephesi genişleme verimliliği %88 olarak hesaplanmıştır. Hızlı eksen ışın bükülme yarıçapı (FABW) ve yavaş eksen ışın bükülme yarıçapı (SABW) için 5 ms ve 10 ms atım uzunlukları altındaki genişlemelerin teorik ve deneysel veri uyum yüzdeleri sırasıyla %91 - %86 ve %98 - %99 olarak hesaplanmıştır. HAZ çapı 0.5 ms, 5 ms ve 10 ms atım uzunlukları altında değerlendirilmiş ve teorik ve deneysel veri uyum yüzdeleri sırasıyla %99,6, %99,1 ve %99,6 olarak hesaplanmıştır.
Diyot lazer ışınının eliptik şekli nedeniyle, FABW ve SABW yarıçaplarına ilişkin matematiğe dayalı simülasyon oluşturulmuştur. 0.5 ms, 5 ms ve 10 ms atım uzunlukları altında LDP'nin motorize sistem matematiği ile ilgili teorik ve deneysel veri uyum yüzdeleri sırasıyla %97.0, %99.4 ve %95.0 olarak belirlenmiştir. Aynı zamanda tüm atım uzunlukları altında termal analizin teorik ve deneysel veri uyum yüzdeleri sırasıyla %88, %91 ve %93 olarak elde edilmiştir.
"Yarı İletken Diyot Lazer ile Yeni Tip Fotodegradasyon Sistemi " hakkındaki özet bilgiler aşağıda yer almaktadır.
Yeni, çevre dostu bir lazer fotodegradasyon sistemi tasarlandı, konfigüre edilmiş ve uygulanmıştır. Lazer Akış Sistemi (LFS), fotodegradasyonda en etkili sistem olarak belirlenmiştir. LFS'nin ampirik doğrulaması, metoprolol-tartratın (MPT) fotodegradasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Tutarlı ışık kaynağı ve katalizör olarak sırasıyla yarı iletken diyot lazer, hematit-Fe2O3+manyetit-Fe3O4 karışımı kullanılmıştır. Ayrıca hidroksil radikalleri oluşturmak için hidrojen peroksit kullanılmıştır. Lazer gücü, katalizör miktarı, hidrojen peroksit konsantrasyonu ve lazer uygulama süresi gibi çoklu parametrelerin etkileri kontrollü bir şekilde değiştirilerek incelenmiştir. Nihai fotodegradasyon için optimum koşullar, 5 saatlik lazer uygulama süresinde 0.3 W (CW 450 nm dalga boyunda) maksimum çıkış gücü, 0.1 M hidrojen peroksit, 40 mg hematit-manyetit katalizör karışımı olarak elde edilmiştir. UV ve COD analizlerine göre fotodegradasyon verimleri sırasıyla %87.6 ve %45.45 olarak belirlenmiştir. Çalışmanın diğer bölümleri termal ve akış analizi ve kinetik çalışması olarak gerçekleşmiştir. Fotodegradasyon, termal ve akış dinamiğinin etkilerinden etkilenmemiştir. Bu yaklaşım matematiksel olarak %99 doğrulukla gösterilmiştir. 
Kinetik çalışma MPT'nin fotodegradasyonu üzerine kurgulanmıştır. Fotodegradasyon reaksiyonları, fotodegradasyonun yarılanma süresi ve fotodegradasyonun kuantum verimi gibi üç ana parametre ile değerlendirilmiştir. Fotodegradasyonun, geçici-sıfırıncı mertebe ve geçici-birinci mertebe reaksiyonlara göre devam ettiği ortaya koyulmuştur. Meydana gelen reaksiyonlar sırasıyla %97.65 ve %96.79 hassasiyetle gösterilmiştir. Hem geçici-sıfırıncı mertebe reaksiyon hem de birinci mertebe reaksiyon için MPT konsantrasyonunun reaksiyon içerisindeki yarılanma ömrü deneysel ve teorik olarak hesaplanmıştır. Bu veriler arasındaki uyumlar geçici-sıfırıncı mertebe reaksiyon ve geçici-birinci mertebe reaksiyon için sırasıyla %99.9 ve %99.51 olarak bulunurken, fotodegradasyonun kuantum verimi ise 4.1x10-4 olarak hesaplanmıştır.
"Yarı İletken Diyot Lazer ile Bakteri Dezenfeksiyonu" hakkındaki özet bilgiler aşağıda yer almaktadır.
Bu çalışmanın amacı, diyot lazerin Escherichia coli (ATCC 10536) ve Staphylococcus aureus (ATCC 6538) gibi patojenik mikroorganizmalar üzerindeki etkisini ortaya koymaktır. Diyot lazerin sözü edilen bakteriler üzerindeki etkisini ortaya çıkarmak için diyot lazer tipi, lazer ışınlama süresi, lazer çıkış gücü yoğunluğu, lazer penetrasyon verimliliği ve biyofilm inhibisyonu gibi çeşitli parametreler incelenmiştir. Çalışma sonucunda mavi lazerin kırmızı ve yeşil lazerlere göre daha etkili olduğu ve 0.36 W/cm2 lazer çıkış güç yoğunluğunda 15 dakika boyunca inhibisyon oranlarının S. Aureus ve E. coli için sırasıyla %65.9 ve %34.52 olduğu görülmüştür. 30 dakikalık mavi lazer ışınlaması sonrasında mikrobiyal büyüme inhibisyonları S. aureus ve E. coli için sırasıyla %85.39 ve %41.18 olarak bulunmuştur. En yüksek biyofilm inhibisyonu, S. aureus hücreleri 60 dakika boyunca mavi lazer ışımasına maruz kaldığında bulunmuş ve bulunan değer %94.61 idi. İki bakteri üzerindeki mikrobiyal büyüme kinetiği, 28 saat boyunca 0.54 W/cm2 lazer çıkış gücü yoğunluğu kullanılarak test edilmiştir. Mikrobiyal kültürlerde herhangi bir mikrobiyal gelişme gözlenmemiştir. Ayrıca, atık su ve doğal sütün dezenfeksiyonu için 0.54 W/cm2 lazer çıkış gücü yoğunluğunda 30, 60, 120, 180 ve 240 dakika süreyle mavi lazer uygulanmıştır.
"Yarı İletken Diyot Lazer ile Tekstil Atık Su Renk Giderimi" hakkındaki özet bilgiler aşağıda yer almaktadır.
Bu çalışmada, RR180 reaktif kırmızı sulu boya çözeltisi renk giderimi için bakır(II) oksit (CuO) tozlarının katalizör olarak kullanımı ve CW 450 nm dalga boylu çok modlu yarı iletken diyot lazerin kullanımı araştırılmıştır. Lazer gücünün etkisi (0.5-2.5 W), çözeltinin pH'ı (2-10), CuO katalizör yüklemesi (0.25-1.5 g/L), H2O2 konsantrasyonu (0.28-2.22 mg/L), başlangıç boya konsantrasyonu (20- 60 mg/L) ile çalışılmıştır. Optimum koşullar altında maksimum uzaklaştırma verimi RR180 için %100 olarak gözlenmiştir. RR180 boya renk giderme reaksiyonunun kinetik analizi, reaksiyonun genel hız sıralamasının geçici-birinci mertebeden olduğu gösterilmiştir. CuO, RR180 boyasında herhangi bir azalma olmaksızın beş ardışık döngü için bir katalizör olarak yeniden kullanım kararlılığı olduğu gösterilmiştir.
In the theoretical side of the laser-material interaction (in our case PA), the main parameters such as thermal analysis, porous surface analysis, melting front yield widening, and Heat-Affected-Zone (HAZ) radius were investigated in terms of laser pulse length and laser beam energy density (i.e. focused laser beam diameter, spot size). The porous surface analysis was performed and pore sizes on the polyamide surface were observed that they changed from 0.5 µm to 5 µm. The melting front yield widening was calculated as 88%. The theoretical and experimental data harmony percentages of widening under 5 ms and 10 ms pulse durations for the fast axis beam waist (FABW) and the slow axis beam waist (SABW) were calculated as 91% - 86% and 98% - 99%, respectively. The HAZ radius was evaluated under 0.5 ms, 5 ms, and 10 ms pulse durations and the theoretical and experimental data harmony percentages was calculated as 99.6%, 99.1%, and 99.6, respectively.

Abstract:
In the thesis study, five different environmental applications are included. Semiconductor diode laser technology was used in all application studies. With this technology, membrane modification, membrane production, bacterial disinfection, a new type of photodegradation system for photocatalytic processes and textile waste water decolourization studies were carried out.
Summary information about "Polymer Membrane Modification with Semiconductor Diode Laser" is given below.
Membrane biofouling is one of the major problem for membrane-based wastewater treatment. In this study, we used laser technology to modify ultrafiltration polyethersulfone (UP150) membrane in order to decrease membrane biofouling. Semiconductor laser diodes with different wavelengths of 405, 520, and 658 nm and different power density of 1.5, 2.0, 2.5 mW were used to improve membrane structure against biofouling. The pure water permeability (Lp), contact angle, porosity, and the average pore size were determined for pristine and modified membranes. Lp value of the pristine UP150 membrane (721.18 L/(m2 h bar)) was higher than modified membrane (22.08 L/(m2 h bar)). The contact angle values were presented that hydrophilicity was decreased from 75.1° to 61.2° for 2 h at 2.5 mW laser output power. Membrane porosity increased from 63.2 to 67.7%; however, the average pore size decreased from 88 to 23 nm after laser modification. The impact of laser wavelength and irradiation time on the rejection of protein (bovine serum albumin, BSA) and the fractions of soluble microbial products (as protein and carbohydrate) was systematically investigated. A maximum rejection of 32.17% and 41.86% was obtained for carbohydrate and protein when activated sludge was filtrated through modified membrane. Moreover, 100% BSA rejection was obtained by the modified membrane when BSA solution was filtrated. The modified membranes were extensively characterized by AFM, FTIR, SEM, and mechanical strength test analyses to observe morphological changes of the membrane before and after modification. The results showed that laser irradiation was changed the membrane morphology. Our results presented that laser- modified membranes with red wavelength changed the pore size, porosity, hydrophilicity of the pristine membrane. Also, membrane surface melting was revealed with a study called "Thermal Analysis on Membrane Surface Modelled 3D" using Solidworks CAD/CAM software. The results obtained from Solidworks thermal analysis was presented with 98.7% ratio of successful approach.
Summary information about "Polymer Membrane Production with Semiconductor Diode Laser" is given below.
In this study, a semiconductor laser diode assisted Laser Drilling Process (LDP) for the polyamide (PA) membranes is presented. Along with an experimental work, based on a theoretical investigation a mathematical modelling was constructed as a computer program to simulate the whole experimental procedure. The simulation includes two parts; the material laser interaction for the drilling process and the coordinate of the interaction region on the material with respect to the targeted burst point and the interaction timing.