Фотокаталитикалык нанобөлүкчөлөрдүн синтези жана алардын касиеттери
Fotokatalitik nanopartiküllerin sentezi ve özellikleri
- Tez No: 918359
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMİL OMURZAK UULU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: çinko, nanopartiküller, sıvı içinde atımlı plazma, metil turuncu, fotokatalitik özellikler, fotokatalitik bozunma, zinc, nanoparticles, pulsed plasma in liquid, methyl orange, photocatalytic properties, photocatalytic degradation
- Yıl: 2024
- Dil: Kırgızca
- Üniversite: Kırgızistan-Türkiye Manas Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 68
Özet
Dünyada sanayinin hızlı büyümesiyle birlikte çevre sorunlarına da neden oluyor. Örneğin atık suların artması, çözünebilir organik ve inorganik maddelerin artması, hava kirliliği, zararlı mikroorganizmalar ve diğerleri. Bu tür sorunların üstesinden gelmek için fotokatalitik bozunma yöntemleri gerekli yöntemlerden biridir. 20. yüzyılın sonunda Japon bilim adamları Akira Fujishima ve Kenichi Honda fotokatalitik bozunma yöntemini geliştirdiler. Fotoliz en önemli yöntemlerden biridir. Fotokatalitik yöntemler için nanopartiküllerin kullanılması tercih edilir. Bazı nanopartikül türleri fotoaktiftir ve bu maddeler nano durumlarında normal durumlarına göre daha güçlü fotokatalitik aktivite sağlar. TiO2, ZnO, Fe2O3, niyobatlar, tantalatlar, metal sülfatların yarıiletken nanopartikülleri, çeşitli ışık ışınlarının yardımıyla fotokatalitik bozunma için etkili bir şekilde uygulanmıştır. Çinko oksit nanopartikülleri fotoaktif olduğundan fotokataliz prosesinde katalizör olarak yaygın şekilde kullanılır. Çoğu durumda, bu tür nanopartiküllerin kullanımı içın, bir miktar enerjinin yardımıyla gerçekleştirilir çünkü bu tür nanopartiküllerin aktivasyon işlemin kolaylaştırır. Fotokatalistler yarı iletkenlerdir. Onları ışık ışınlarıyla aktivite edip уarı iletkenlerde serbest elektronlar ve elektron boşlukları ortaya çıkar. Onlardan belirlı enerji farkın elde ederiz. Enerji dengesizliği nedeniyle oksidasyon, redoks reaksiyonu meydana gelir. Fotokatalitik reaksiyon, katalizörün ince bir yüzey tabakası üzerinde gerçekleşir. Katalizör ışıkla ışınlandıktan sonra reaksiyon başlar. Işıkla uyarılan atomik elektronlar önce valans bandından iletim bandına geçer ve valans bandında bir elektron boşluğu oluşur. Elektron bölgesinde fazla bir serbest elektron oluşur. Bu elektronlar su ile reaksiyona girip hidroksil radikalleri, ve süperoksit radikalini oluşturur. Bu radikaller zincirleme bir reaksiyona girerek kısa sürede karmaşık moleküler maddelerin yapılarını tahrip eder ve yok eder. Çoğu zaman, yüksek enerjisi nedeniyle fotokataliz yöntemlerinde ultraviyole ışık kullanılır. Enerji üretmek zaman ve para gerektirir ancak verimlilik de gereklidir. Güneş enerjisini kullanmak ucuz ve zararsızdır. Günümüzde zararsız, ucuz enerjinin kullanılması temel gereksinimdir. Bu enerjiyi kullanmanın bir yolu güneş ışığında kimyasal reaksiyonlar gerçekleştirmektir. Enerji tüketimini en aza indirmek için fotokatalitik bozunma işleminin normal güneş ışığı, görünür ışık aralığındaki ışınlarda yapılması tercih edilir. Kullanılan ışık ışınlarının şiddeti, yarı iletkenin bant aralığı enerjisinden veya kuantum enerjisinden daha yüksek olmalıdır. Görünür ve yakın kızılötesi ışınlar da kullanılır. Güneş ışığı aynı zamanda fotokataliz için ücretsiz ve yoğun bir birincil kaynaktır. Yarı iletken nanopartiküller fotokatalitik işlemler için katalizör olarak kullanılır. Nano kelimesi milyarda bir anlamına gelen birimdir. Esas olarak uluslararası sistemde kullanılan bu önek, 10^−9 veya 0,000000001 katsayısı anlamına gelir. Bir nanopartikül, boyutu 1 ila 100 nanometre arasında olan küçük bir parçacıktır. İnsan gözüyle görülmeyen nanopartiküller, daha büyük malzemelerden oldukça farklı fiziksel ve kimyasal özellikler sergileyebilmektedir. Bir malzemenin özellikleri, boyutu atom ölçeğine yaklaştıkça değişir. Bunun nedeni malzemenin yüzey alanı hacime olan oranının artmasıdır. Son derece küçük boyutları nedeniyle nanopartiküller, geleneksel boyutlu malzemelerle karşılaştırıldığında çok yüksek hacim oranlarına sahip tozlar, levhalar ve ince filmler oluşturur. Bu özellik nanopartiküllerin beklenmedik optik, fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olmasını sağlar. Nanopartiküller kullanım için tercih edilir ancak sentezlenmesi daha fazla enerji gerektirir. Sentez yöntemleri genel olarak yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya olmak üzere ikiye ayrılır. Yukarıdan aşağıya doğru büyük boyutlu maddeler mekanik yollarla ezilir veya eritilip ezilir. Aşağıdan yukarıya doğru küçük atomik veya moleküler maddeler kimyasal ve biyolojik reaksiyonlar yardımıyla kristalleştirilir veya gaz halindeki maddeler kristalleştirilir. . Nanopartiküllerin elde edilmesinde birçok kimyasal, fiziksel ve biyolojik yöntem kullanılmaktadır. Nanopartiküllerin sentez yöntemleri; Fiziksel yöntemler, Kimyasal yöntemler, Mekanik yöntemler, Biyolojik yöntemler olmak üzere dörde ayrılır. Bizim çalışmamızda. Sıvı fazlı darbeli plazma ekipmanı kullanıldı. Bu yöntemde, elektrik akımı yardımıyla darbe oluşturularak iki elektrotun buharlaştırılmasıyla nanopartiküller sentezlenir. Çinko nanopartikülleri, sıvı fazlı darbeli plazma ekipmanı kullanılarak % 99,99 saf çinko telden sentezlendi. Sıvı fazlı elektronik plazmatronun anot ve katot uçlarına çinko bağlandı. Sıvı ortam olarak distile su kullanıldı. Elektrik akımı gönderilerek çinko ve çinko oksit nanopartikülleri sentezlendi. Çinko su ile reaksiyona sokuldduğunda çinko oksid ortaya gelir. İşlem sonrasında bardaktaki suyun içindeki sentezlenen nanopartiküllerin ayrıştırılması amacıyla üst kısmı bir iki gün kapalı bırakılarak çökelmesi sağlandı. Bir sonraki aşama çökeltme ve susuzlaştırma oldu. Elde edilen toz numuneler, tozdaki fazla asidik maddelerin uzaklaştırılması için % 96 saf etanol alkol ile üç kez durulanmıştır. Durulamanın ardından, koku kayboluncaya kadar distile su vile tekrar tekrar yıkandı. Saflaştırılmış numuneler dehidre edildi ve oda sıcaklığında kuru toz haline gelinceye kadar kurutuldu. Böylece ZnO nanopartikülleri hazır hale geldi. Sentezlenen nanopartiküllerin kompozisyonunu belirlemek için elektron mikroskobu kullanılarak boyutu ve görüntüsü alındı ve nanopartikül oldukları belirlendi. Ayrıca X-ışını yapısal aparatı yardımıyla sentezlenen parçacıkların nano boyutta olduğu ve çinko ve çinko oksit içerdiği belirlendi. Sonuçlara göre nanopartiküllerin % 6 Zn ve % 94 ZnO maddelerden oluştuğu, Çinko metalinin yüksek sıcaklığın etkisi altında su ile reaksiyona girerek çinko oksitler oluşturduğu doğrulandı. Çinko oksit nanopartikülleri fotoaktif olduğundan fotokataliz prosesinde katalizör olarak yaygın şekilde kullanılırlar. Ayrıca güçlü antibakteriyel özelliklere sahiptir. Elektron mikroskobu ile verılen nanoparçacığın resiminde, parçacıklar 5-50nm boytunda oldu. Çinko nanopartikülleri fotoaktif olduğundan, aktivitelerini test etmek için metil turuncu bozunma deneyleri ultraviyole ışıkta, karışık güneş ışığında ve görünür ışıkta gerçekleştirildi. Her yöntemde 20 ppm konsantrasyondaki 100 ml metil oranj içerisine 0,3 gram çınko nanopartikül yerleştirildi ve fotokatalitik bozunma işlemi gerçekleştirildi. Fotokatalitik bozunma sırasında konsantrasyondaki değişiklik bir UV/vis spektrofotometresinde ölçüldü. Her ölçüm 15 dakikalık aralıklarla alındı. Elde edilen ölçümler gözlemlendi ve metil oranj konsantrasyonundaki değişim hesaplandı. UV ışık kaynağı olarak 5 adet“DJL”marka 3U tipi UV lamba kullanıldı. Bir lambanın gücü 26 watt çalışma süresidir. Güneş ışığında fotokatalitik bozunma işlemini gerçekleştirmek için, ışık kaynağı olarak sıradaт, iyi gelen güneş ışığı kullanıldı. Numuneyi güneş ışığının önüne yerleştirip ve manyetik karıştırıcı yerleştirildi. Deneysel çalışmada görünür ışık ışınları için UV yi engelleyici cam yerine UV yi engelleyici filmle kaplanmış renkli cam kullanıldı. Hazırlık olarak renksiz camın yüzeyine film yapıştırılarak bir kutu yapıldı. Kullanılan film“Armolan spektrumu”tipi malzemedir. Kutunun içinden güneş ışığının hangi bişlösı geçtiğini kontrol etmek amacıyla spektrometre ekipmanından 390 nm den 800 nm'ye kadar görünür bölge ışınlarının geçtiği doğrulandı. Ultraviyole engelleyici filtreler, gözleri ve cildi zararlı UV ışınlarından korumak için yaygın olarak kullanılır. Bu filtreler genellikle görünür ışığın geçmesine izin verirken ultraviyole ışığı yansıtabilen veya emebilen özel malzemelerden veya kaplamalardan yapılır. Bu tür filtreler güneş gözlüklerinde, kameralarda ve zararlı UV radyasyonuna karşı koruma sağlayan diğer cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Fotokataliz işlemi, metil portakal çözeltisinin Zn nanopartikülleri yardımıyla ultraviyole ışıkta bozunması için 20 ppm'lik bir metil portakal çözeltisi hazırlandı. UV ışık kaynağı açıldı ve hazırlandı. 100 ml metil portakal çözeltisine 0,3 g ZnO nano tozu ilave edildi ve başlangıç konsantrasyonu bir spektrofotometrede belirlendi. Numuneyi UV ışığının önünde manyetik karıştırıcı ile zamanla başlandı. Her on beş dakikada bir numune alındı ve spektrofotometreye kaydedildi. Spektrofotometre, 190 nm ila 1100 nm aralığındaki dalga boylarında çalışır. Numune 15 dakika aralıklarla 5 kez alınmış olup, ikincisi 60 dakikada tamamlanmıştır. Metil portakal renksiz hale geldi ve emilim zirvesi keskin bir şekilde azaldı.Güneş ışığı deneyinde metil orange numunesinin güneş ışığına maruz bırakılmasıyla fotokatalitik bozunma işlemi gerçekleştirildi. UV ışığı altında yapılan deneylere benzer düğmelerle yapıldı. Sonra görünür ışık deneyi UV ışığını engelleyen bir kutunun içinde gerçekleştirildi. Tüm deneyler metil portakal renksiz hale gelinceye kadar sürdürüldü. Deneysel gözlemde, metil turuncunun fotokatalitik bozunması ultraviyole ışıkta diğer güneş ışığına ve güneşin görünür ışık aralığına göre daha fazlaydı. Bundan sonraki reaksiyonun hızı güneş ışığında fazla oldu. Bunun nedeni UV ışınlarının enerjisinin güneş ışığının enerjisinden, güneş ışığının enerjisinin de güneşin görünür ışık enerjisinden daha yüksek olmasıdır. Ultraviyole ışıkta metil turuncunun % 94,75 i 45 dakika içinde bozundu. Sonra metil turuncunun % 82,3 ü güneş ışığında 60 dakika içinde bozundu. Güneşin görünür ışık aralığındaki metil turuncunun bozulması 75 dakikada % 94,7 oldu.
Özet (Çeviri)
Liquid-phase pulsed plasma equipment is connected to anode and cathode ends of 99.99 % pure zinc. Zinc and zinc oxide nanoparticles were synthesized by sending electric current. In order to determine the composition of the synthesized nanoparticles, the size and image were obtained using a scanning electron microscope, and it was determined that they were nanoparticles. In addition, with the help of the x-ray structural apparatus, it was determined that the synthesized particles are nano-sized and contain zinc and zinc oxides. Since zinc nanoparticles are photoactive, methyl orange degradation assays were performed in ultraviolet light, mixed sunlight, and visible light to test their activity. In each method, 0.3 grams of nanoparticles were placed in 100 ml of methyl orange at a concentration of 20 ppm, and the photocatalytic degradation process was carried out. The change in concentration during photocatalytic degradation was measured in a UV/vis spectrophotometer. Each measurement was taken at 15-minute intervals. The obtained measurements were observed and the change in the concentration of methyl orange was calculated. In conclusion, photocatalytic degradation under UV light was faster than degradation under sunlight and visible light. The reason for this is that the higher the energy of the light supplied to the process, the faster the degradation. Also, zinc oxide showed photocatalytic activity in sunlight and visible light rays.