Çimento bağlayıcılı kompozitlerde, karbonatlaşma ve hidratasyon reaksiyonlarının fotokatalitik verimliliğe etkilerinin belirlenmesi
Determination of carbonation and hydration reactions on photocatalytic efficiency and its effects in cement binding composites
Yazar: SELDA ZOR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞULE BAKIRCI ER ; PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Fotokatalitik = Photocatalytic ; Karbonatlaşma = Carbonation ; Kompozitler = Composites ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide ; Çimento = Cement ; İndirgeme = Reduction

Özet:
Dünya genelinde hava kirliliği, halk sağlığını, çevreyi ve ekonomiyi etkileyen önemli bir husustur. Havada asılı duran çeşitli maddeler hava kirliliğine neden olmakta ve hava kalitesini düşürmektedir. Hava kirliliğine sebebiyet veren temel kirleticilerden birinin, atmosfere salınan azot oksit/dioksit (NOₓ [NO ve NO₂]) olduğu bilinmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte artan kentleşme, nüfus, araç sayısı ve sanayileşme vb. sonucunda NOₓ emisyonlarına bağlı hava kirliliği ciddi boyutlara ulaşmış olup bu sorunun uygun şekilde ele alınması gerekmektedir. Fotokatalizör malzemeler (örneğin: nano titanyum dioksit [TiO₂]) kullanarak, farklı kaynaklardan (ultraviyole [UV], görünür, güneş ışığı vb.) açığa çıkan ışınlar yardımıyla fotokatalitik reaksiyonların uyarılması, NOₓ'in kirleticiliğini azaltmaktadır. İnşaat sektörü açısından, Çimento bağlayıcılı kompozitlerin sudan sonra en yaygın kullanılan malzeme olduğu düşünüldüğünde, çimento bağlayıcılı kompozitlere nano-TiO₂ ikame edilerek, NOₓ'in kirleticiliğini azaltan nitelikte çok fonksiyonlu çimento bağlayıcılı kompozitlerin geliştirilmesi hava kirliliğiyle mücadele etmek açısından değerli bir seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır.
Fotokatalitik reaksiyonları, çimento bğlayıcılı kompozitlerin ışın ve kirletici ulaşabilen (atmosfer koşullarına maruz kalan) yüzeylerinde meydana gelen yüzey reaksiyonları olarak tanımlamak mümkündür. Karbonatlaşma ve devam eden hidratasyon reaksiyonlarının bir sonucu olarak çimento bağlayıcılı kompozitlerin atmosferik koşullara maruz kalan yüzeylerinin kimyasal bileşimi, gözenekliliği ve mikroyapısı değişmekte ve bu durum fotokatalitik aktivite performansı üzerinde oldukça etkili olmaktadır. Bu nedenle, verimli fotokatalitik indirgeme kabiliyetine sahip çimento bağlayıcılı kompozitlerin geliştirilmesini sağlamak için çimento bağlayıcılı kompozitlerin uzun vadeli fotokatalitik indirgeme kabiliyetleri üzerinde etkili olan tüm olası mekanizmalar için daha derin bir değerlendirme ve daha özel bir dikkat gerekli olmaktadır. Bu bağlamda, bu tez çalışması, karbonatlaşma ve devam eden hidratasyon reaksiyonlarının nano-TiO₂ içeren çimento bağlayıcılı kompozitlerin fotokatalitik verimliliği ve NOₓ indirgeme kabiliyeti üzerindeki etkilerini incelemeyi amaçlamaktadır. Bu kapsamda, 28 gün boyunca oda sıcaklığında (20±2°C) ve nem altında (%95±5) kürlendikten sonra 78,0 MPa basınç dayanıma, %39,6 NOₓ indirgeme oranına ve %85,7 seçicilik değerine sahip çimento bağlayıcılı bir kompozit geliştirilmiştir. Numuneler oda sıcaklığında (20±2°C) ve nem altında (%95±5) 28 gün boyunca kürlendikten sonra iki farklı ortam koşulu [%95±5 bağıl nem, 20±2°C ve %65±5 bağıl nem, 50±5°C ve %4CO₂] altında 152 gün boyunca kürlenerek belirli periyotlarda fotokatalitik aktiviteleri belirlenmiştir. Numunelerin fotokatalitik aktivite performansları, kimyasal ve mikroyapısal analizler yapılarak farklı açılardan değerlendirilmiş ve sonuçlar kapsamlı bir şekilde tartışılmıştır. Bu çalışmanın çıktılarının sürdürülebilirliğe büyük katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
All arround the world, air pollution is a major concern that affects publict health, environment and economy. Various substances suspended in the air cause air pollution and reduce air quality. It is known that one of the main pollutants causing air pollution is nitrogen oxide/dioxide (NOₓ [NO and NO₂]) released into the atmosphere. As a result of increasing urbanization, population, number of vehicles and industrialization, etc. with technological advances, air pollution caused by NOₓ emissions has reached serious levels and thus should be handled appropriately. The use of photocatalyst materials (for example, nano titanium dioxide [TiO₂]) to trigger photocatalytic reactions with the help of rays emitted from different sources (ultraviolet [UV], visible, sunlight, etc.) lowers NOₓ pollution. Considering that the cementitious composites are the most widely used material after water, the development of multi functional cementitious composites that reduce the NOₓ pollution by inclusion of nano-TiO₂ appears to be a promising solution for reducing air pollution.
Photocatalytic reactions can be defined as surface reactions that occur on the rays- and contaminant-reachable (exposed to atmospheric conditions) surfaces of composites. The chemical composition, porosity, and microstructure of the surfaces of cementitious composites exposed to air conditions alter as a result of carbonation and ongoing hydration reactions, and this scenario has a significant impact on photocatalytic activity performance. Therefore, in order to ensure the development of cementitious composites with efficient photocatalytic reduction capability, a deeper consideration and more specific attention is required for all possible mechanisms that affect the long-term photocatalytic reduction capability of cementitious composites. To this end, this thesis study aims to investigate the effects of carbonation and ongoing hydration reactions on the photocatalytic efficiency and NOₓ reduction capability of nano-TiO₂ included cementitious composites. In this context, after curing at room temperature (20±2°C) and humidity (95±5%) for 28 days, cementitious composite has been developed that has 78.0 MPa compressive strength, 39.6% NOₓ reduction rate and the 85.7% selectivity value. After the curing at room temperature (20±2°C) and humidity (95±5%) for 28 days, the samples were cured for 152 days under two different environmental conditions [%95±5 RH, 20±2°C and %65±5 RH, 50±5°C, %4CO₂] and their photocatalytic activities were determined at certain periods. The photocatalytic activity performances of the samples were evaluated from different perspectives by performing chemical and microstructural analyzes and the results were discussed extensively. The findings of this study are expected to make a significant contribution to sustainability.