Photocatalytic ozonation for nanoplastics: from emprical insights to prospective environmental impact assessment
Nanoplastikler için fotokatalitiık ozonlama: Deneysel bulgulardan ileriye yönelik çevresel etki değerlendirilmesi
- Tez No: 1005523
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HATİCE ŞENGÜL, DOÇ. DR. CEM BAYRAM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sucul ortamlarda nanoplastik kirliliği, önemli ekolojik ve insan sağlığı riskleri oluşturarak kritik bir çevresel sorun hâline gelmiştir. Nanoplastiklerin küçük boyutları, kimyasal kararlılıkları ve karmaşık yüzey özellikleri nedeniyle, geleneksel su arıtma teknolojileri bu kirleticilerin etkin bir şekilde giderilmesinde ciddi sınırlamalarla karşılaşmaktadır. Bu bağlamda, ileri oksidasyon prosesleri giderek daha fazla ilgi görse de, fotokatalitik ozonlamanın (PCO) nanoplastiklerin bozunmasındaki uygulamaları literatürde yeterince incelenmemiştir. Bu çalışma, bu boşluğu doldurmayı amaçlayarak, sulu ortamlarda nanoplastiklerin giderimi için immobilize TiO₂ nanotüplerin kombine fotokataliz–ozonlama sisteminde kullanımını araştırmaktadır. Çalışmada, TiO₂ nanotüp çapı (32,3; 53,9 ve 67,6 nm), ozon konsantrasyonu (0, 10 ve 20 mg/L), pH (3, 5 ve 10) ve nanoplastik türü (polipropilen (PP), polietilen (PE) ve polivinil klorür (PVC)) gibi temel işletme ve malzeme parametrelerinin etkileri sistematik olarak değerlendirilmiştir. Giderim verimleri, toplam organik karbon (TOC) analizi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve dinamik ışık saçılımı (DLS) gibi gelişmiş analitik teknikler kullanılarak, farklı arıtma kombinasyonlarının karşılaştırmalı analizi yoluyla belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, daha büyük TiO₂ nanotüp çaplarının fotokatalitik aktiviteyi artırdığını ve asidik koşulların bozunma verimini önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Ayrıca, arıtım sonrası analizler TiO₂ nanotüplerin tekrarlı kullanım sonrasında yapısal bütünlüklerini ve fotokatalitik performanslarını koruduğunu ortaya koymuş, bu da katalizörün yüksek dayanıklılığa ve yeniden kullanılabilirliğe sahip olduğunu göstermiştir. Fotokatalitik ozonlama, geleceğin su arıtma teknolojileri için umut vadeden bir ileri oksidasyon prosesi olmasına rağmen, daha büyük ölçeklerdeki çevresel performansı büyük ölçüde bilinmemektedir. Bu eksikliği gidermek amacıyla, bu çalışmada TiO₂ ve WO₃ bazlı fotokatalizörlerin entegre edildiği ölçek büyütülmüş bir PCO sistemi için ileriye dönük bir Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) gerçekleştirilmiştir. Fonksiyon temelli bir ölçeklendirme yaklaşımı kullanılarak, laboratuvar ölçekli süreçler, immobilize katalizörlerin bölmeli plakalar üzerine yerleştirildiği ve entegre ozon üretiminin bulunduğu endüstriyel olarak ilgili bir reaktör konfigürasyonuna uyarlanmıştır. Yaşam döngüsü envanteri malzeme temelli verilerle oluşturulmuş; çevresel etki değerlendirmesi, özellikle mineral kaynak kıtlığı olmak üzere birden fazla orta nokta (midpoint) etki kategorisini kapsamıştır. YDD sonuçları, tüm senaryolarda çevresel etkilerin baskın kaynağının ozon üretimi olduğunu, bunu reaktör inşası ve katalizör üretiminin izlediğini göstermektedir. TiO₂ bazlı sistemler, WO₃'e kıyasla mineral kaynak kıtlığına daha yüksek katkı sağlarken (%4,48'e karşı %0,14), WO₃ bazlı sistemler iklim değişikliği etkilerinde daha yüksek katkı göstermiştir (%17,72'ye karşı %2,65). Katalizör immobilizasyonunun, süspansiyon bazlı sistemlere kıyasla yıllık çevresel etkiler üzerinde anlamlı bir fark yaratmadığı belirlenmiştir. Hassasiyet analizleri, çelik, beton veya elektrik tüketimindeki azalmaların ozon üretiminin baskın rolünü değiştirmediğini göstererek bu bulguların sağlamlığını doğrulamıştır. Sonuç olarak, bu çalışma fotokatalitik ozonlamanın endüstriyel ölçekteki çevresel performansını ele alan ilk ileriye dönük YDD çalışmalarından birini sunmakta ve ozon tedarikini temel çevresel etki noktası olarak tanımlamaktadır. Sistematik ölçek büyütme stratejilerinin erken aşama sürdürülebilirlik değerlendirmeleriyle birleştirilmesi sayesinde, bu çalışma PCO teknolojisinin endüstriyel uygulanabilirliğini ve çevresel sorumluluğunu değerlendirmek için kapsamlı bir çerçeve sunmakta; böylece teknolojinin büyük ölçekli ve sürdürülebilir uygulamalarına katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Nanoplastic pollution in aquatic environments has emerged as a critical environmental concern, posing significant ecological and human health risks. Conventional water treatment technologies face substantial limitations in effectively removing nanoplastics due to their small size, chemical stability, and complex surface properties. In this context, advanced oxidation processes have gained increasing attention, yet the application of photocatalytic ozonation (PCO) for nanoplastics degradation remains insufficiently explored. This study addresses this gap by investigating the performance of TiO₂ nanotubes as immobilized photocatalysts in a combined photocatalysis–ozonation system for the degradation of nanoplastics in aqueous media. The effects of key operational and material parameters—including TiO₂ nanotube diameter (32.3, 53.9, and 67.6 nm), ozone concentration (0, 10, and 20 mg/L), pH (3, 5, and 10), and nanoplastic type (polypropylene (PP), polyethylene (PE), and polyvinyl chloride (PVC))—were systematically evaluated. Degradation efficiency was assessed through comparative analysis of different treatment combinations using advanced characterization techniques such as total organic carbon (TOC) analysis, scanning electron microscopy (SEM), and dynamic light scattering (DLS). The results demonstrate that larger TiO₂ nanotube diameters enhance photocatalytic activity, while acidic conditions significantly improve degradation efficiency. Furthermore, post-treatment analyses confirmed that the TiO₂ nanotubes retained their structural integrity and photocatalytic performance after repeated cycles, indicating high durability and reusability. While PCO shows strong potential as an advanced oxidation process for future water treatment, its environmental performance at larger scales remains largely unexplored. To address this issue, a prospective Life Cycle Assessment (LCA) was conducted for a scaled-up PCO system incorporating immobilized TiO₂- and WO₃-based photocatalysts. A function-based scaling approach was applied to extrapolate laboratory-scale results to an industrially relevant reactor configuration featuring immobilized catalysts on baffled plates and integrated ozone generation. The life cycle inventory was developed using material-based data, and the environmental impact assessment covered multiple midpoint categories, with particular emphasis on mineral resource scarcity. The LCA results indicate that ozone generation is the dominant contributor to environmental impacts across all assessed scenarios, followed by reactor construction and catalyst production. TiO₂-based systems exhibited higher contributions to mineral resource scarcity compared to WO₃ (4.48% versus 0.14%), whereas WO₃-based systems showed a greater impact on climate change (17.72% versus 2.65%). Catalyst immobilization did not result in significant annual impact differences compared to suspended catalyst configurations. Sensitivity analyses further confirmed the robustness of these findings, as variations in steel, concrete, or electricity demand did not alter the dominance of ozone generation. Overall, this study presents one of the first prospective LCAs of photocatalytic ozonation at an industrially relevant scale and identifies ozone supply as the primary environmental hotspot. By integrating systematic scale-up strategies with early-stage sustainability assessment, this work provides a comprehensive framework for evaluating the industrial feasibility and environmental performance of PCO technology, thereby supporting its responsible and sustainable large-scale implementation.
Benzer Tezler
- Polimer mikrokirleticilerin su ortamında 3B nanoskopik karakterizasyonları ve yapay kirlenmiş suların farklı benzetim teknikleri ile tasarımı
3D nanoscopic characterization of polymer micropollutants in water and design of artificially polluted water with different simulations
ONURCAN BÜLBÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMRA İDE
- TiO2/montmorillonit nanokompozitinin sentezi ve sulu çözeltilerden ilaç türü kirleticilerin fotokatalitik oksidasyon ve fotokatalitik ozonlama prosesleriyle bozundurulmasına yönelik uygulamalar: Proseslerin modellenmesi ve optimizasyonu
Synthesis of TiO2/montmorillonite nanocomposite and its applications in photocatalytic oxidation and photocatalytic ozonation processes for degradation of pharmaceutical contaminants from aqueous solutions: Modeling and optimization of the processes
AYDIN HASSANI
Doktora
Türkçe
2016
KimyaAtatürk ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMRA KARACA
PROF. DR. ALİREZA KHATAEE
- Photolytic and photocatalytic ozonation of synthetic dyebath effluent
Sentetik boya atık suyunun fotolitik ve fotokatalitik ozonlanması
MÜJGAN İKİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Çevre MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiÇevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. IŞIL BALCIOĞLU
- Effects of ozonation, photocatalytic oxidation, and sequential oxidation on coagulation of humic acids
Ozonlamanın, fotokatalitik oxidasyonun ve birleştirilmiş oksidasyonun hümik asitlerin koagülasyonu üzerine etkileri
SİBEL ŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Çevre MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiÇevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MİRAY BEKBÖLET
- Fotokatalitik ozonlamayla sulu çözeltilerden ilaç giderimi
Pharmaceutical removal from aqueous solutions by using photocatalytic ozonation
IŞIL NİHAN KORKMAZ