Dielektrik bariyer deşarj plazma yöntemi ile havanın sterilizasyonu
Air sterilization by dielectric barrier (DBD) plasma
Yazar: MEHMET ALİ TİTREK
Danışman: PROF. DR. LÜTFİ ÖKSÜZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fen Bilimleri ve Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Hazırlamış olduğum bu tez çalışmasında ülkemizde ozon üretimi ve ortam sterilizasyonunda yaygın olarak kullanılan ancak büyük ölçekli üretilmeyen atmosferik soğuk plazma reaktörlerinin temel tasarım parametreleri belirlenmiştir. Bu parametrelerin ozon üretim hızına, derişimi ile özgül ozon verimine olan etkilerini saptayarak sistemi modellemek ve ilgili uygulamalarda kullanılacak soğuk plazma reaktörlerini tasarımı yapılarak ilk prototiplerin reaktör ve güç kaynağı devresi olarak üretilebilmesi amaçlanmıştır. Havanın ve yüzeyin sterilizasyon işlemleri için kullanılacak olan ozon jeneratörünü bir araya getiren parçalarının tasarımı ve üretimi Plazma Uygulama Araştırma Laboratuvarının ekipmanları ve imkanları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her bir reaktör sıcaklık ve basıncı ölçülen farklı akış hızlarındaki saf oksijen ve hava akımında elektrotlara uygulanan farklı voltaj ve frekans değerlerinde, asal gaz varlığında çalıştırılarak sistemin sağlaması öngörülen hedef değerleri olan ozon derişimi (ppmv), ozon üretim hızı (g O_3/saat) ve özgül ozon verimine (g O_3/Kw.saat) ulaşması amaçlanarak çalışılmıştır. Yapılan deneylerde, 1 mm elektrot aralığına sahip reaktör hava ve oksijen ile beslenerek en yüksek ozon üretim performansını göstermiş; 1.3 L/dak oksijen akış hızında 45844 ppmv ozon derişimine ulaşmış ve 6 L/dak oksijen akış hızında 18.5 g/saat ozon üretebilmiştir. Sistemden hava geçirilerek yapılan deneylerde, reaktör 2 L/dak hava akış hızında 10146 ppmv ozon derişimine ulaşmış ve 20 L/dak hava akış hızında 11.5 g/saat ozon üretebilmiştir. Ayrıca ozon üretim verimine katkı sağlayan puls etkisi de incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda farklı hava ve oksijen akış hızlarında, maksimum amaç fonksiyonları değerlerini sağlayan kaynak voltajında ve rezonans frekansında (kHz) yüksek performanslı iki reaktöre puls uygulanarak ideal puls sayısı saptanmıştır. Tasarımı ve üretimi gerçekleştirilen sistemin ürettiği ozonun yüzey ve sıvıda etkinliği kanıtlanması amacıyla Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü Ölçüm Laboratuvarında gerekli testlere tabi tutulmuştur. Temel özelliği ortamı ve yüzeyi sterilize etmek olan ozonun etkinliği Enterovirüs ve Clostridium bakterileri üzerinde test edilmiştir. Yapılan bu çalışmada yüksek ısı ve corona deşarj etkilerine karşı dayanıklı seramik kullanılarak üretilmiş kendi tasarım ve üretimim olan ozon reaktörü ve güç kaynağı kullanılarak üretilen ozonun hava ve yüzey sterilizasyonu üzerine etkisi araştırılmıştır.

Abstract:
In this thesis, the basic design parameters of atmospheric cold plasma reactors, which are widely used in sterilization and ozone production in our country, but not produced in large scale, were determined. It is aimed to model the system by determining the efficacy of these arguments over the ozone production speed, concentration with specific ozone yield, and to produce the first prototypes as reactor and power supply circuits by designing the cold plasma reactors to be used in related applications. The design and production of the parts that bring together the ozone generator, which is used for sterilization of the air and the surface, has been carried out. The design and production of the parts that bring together the ozone generator, which will be used for sterilization of the air and the surface, were carried out using the equipment and facilities of the Plasma Research Laboratory. Ozone concentration (ppmv), ozone production rate (g O_3/hour) and specific ozone yield (g O_3/Kw.hour), which are the target values that the system is expected to provide by operating each reactor at different flow rates of pure oxygen and air flow, with different voltage and frequency values implemented to the electrodes, in the presence of inert gas, whose temperature and pressure are measured. In the experiments, the reactor with 1 mm electrode gap was fed with air and oxygen and showed the highest ozone production performance. It reached an ozone concentration of 45844 ppmv at 1.3 L/min oxygen flow rate and produced 18.5 g/h ozone at 6 L/min oxygen flow rate. In the experiments carried out by passing air through the system, the reactor reached an ozone concentration of 10146 ppmv at 2 L/min air flow rate and produced 11.5 g/hour ozone at 20 L/min air flow rate. In addition, the pulse effect, which contributes to the ozone production efficiency, was also investigated. For this purpose, the ideal pulse number was determined by applying pulses to two high-performance reactors at different air and oxygen flow rates, source voltage providing maximum objective function values, and resonance frequency (kHz). In order to prove the efficiency of the ozone produced by the design and production system on the surface and liquid, it was subjected to the necessary tests in the Measurement Laboratory of the Environmental Engineering Department of the Engineering Faculty of Dokuz Eylul University. The performance of ozone, the main feature of which is to sterilize the environment and surfaces, has been tested on Enterovirus and Clostridium viruses. The effect of ozone on air and surface sterilization was investigated by using an ozone reactor of my own design and production, produced by using ceramics resistant to these highly effective heat and corona discharge effects, and a power source.