NANO-TİO 2 KATALİZÖRLER İLE UV-IŞINI ALTINDA FENOL ÜN FOTOKATALİTİK AKTİVİTESİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 NNO-TİO 2 KTLİZÖLE İLE UV-IŞINI LTIND FENOL ÜN FOTOKTLİTİK KTİVİTESİNİN İNCELENMESİ yça KMBU, G. Selda POZN SOYLU* İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 3432, İstanbul, Türkiye *İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü,3432, gpozan@istanbul.edu.tr 1.ÖZET Bu çalışmada nano boyutlu katalizörler, sol-gel metodu ile titanyum isopropoksit, titanyum bütoksit, titanyum tetra klorür gibi farklı titanyum kaynakları kullanılarak sentezlenmiştir. Sol-gel metodu ile hazırlanan katalizörler değişik sıcaklıklarda kalsine edilerek anataz ve rutil olmak üzere 2 farklı fazda üretilmiş, kristal yapıları X-ışını difraktometresinde incelenmiştir. Fenolün fotokatalitik bozunması farklı reaksiyon şartlarında hazırlanan nano katalizörler varlığında UV ışık altında incelenmiştir. nataz nin rutil fazdan daha yüksek fotokatalitik aktivite gösterdiği gözlenmiştir. Farklı titanyum kaynağının ve kalsinasyon sıcaklığının fenol dönüşümü açısından iyileştirici bir etki sağladığı anlaşılmıştır. yrıca, nano anataz- (TIP6) katalizörünün ticari Degussa P25 katalizörü kadar etkin bir katalizör olduğu sonucuna varılmıştır. nahtar Kelimeler:, fenol, fotokatalitik bozunma, karakterizasyon 2.GİİŞ Son yıllarda, titanyum dioksit ( ) üzerinde, fotokatalitik aktivite özelliğinden dolayı yoğun olarak çalışılmaktadır., UV ışığı ile uyarıldığı zaman fotoaktif özellik gösteren ve organik grupları parçalayabilen yarı iletken bir malzemedir., ışığa maruz bırakıldığında, suyun arıtılmasında, kendi kendini temizleyebilen, buğulanmayan yüzeylerin elde edilmesinde, fotokimyasal olarak kanser tedavisi uygulamalarında, havanın arındırılmasında kullanılabilir[1]. nataz ve rutilin valans bant enerjileri çok düşük bir seviyededir. Bu durum, hem anatazın hem de rutilin valans bantlarında oluşan boşlukların (ve hidroksil radikallerinin) yüksek oksitleme gücüne sahip olduğu anlamına gelmektedir. utilin iletkenlik bandı enerjisi, suyu elektrolitik olarak hidrojene indirgemek için gerekli olan potansiyele yakındır, fakat anatazın iletkenlik bandı enerjisi, enerji diyagramında daha yüksektedir ve bu da anatazın daha yüksek redükleme gücüne sahip olduğunu göstermektedir[1]. Fotokimya belirli dalga boyundaki ışığın absorplanmasıyla elektriksel olarak uyarılan atom ya da moleküllerin kimyasal reaksiyonlarını kapsar. vantajları: 1-Işık, büyük oranda spesifik ve ekolojik bir reaktif olarak düşünülebilir. 2-Fotokimyasal reaksiyonlar termal olanlara göre daha ılımlı koşullarda gerçekleşir. 3-Genellikle oda sıcaklığında ya da altında çalışıldığı için endüstriyel proseslerin güvenliği açısından önemli bir durumdur. 4-Pek çok geleneksel sentez fotokimyasal adımlar eklenerek kısaltılabilir[2]. Bu gibi avantajlarından ötürü yaptığımız çalışmada hazırlanan katalizörlerin aktiviteleri fotokatalitik bozunma reaksiyonlarında incelenmiştir.

2 3.DENEYSEL Nano boyutlu katalizörler, Titanyum isopropoksit (TIP), Titanyum bütoksit (TB) ve TiCl 4 [3,4] gibi üç farklı titanyum kaynağı kullanılarak sol-gel metodu ile hazırlanmıştır. Titanyum isopropoksit ve asetik asit kullanarak sol-gel metodu ile hazırlanmış beyaz toz 3, 6 ve 9 C de 4 saat kalsine edilmiş ve anataz/rutil fazlar elde edilmiştir. Hazırlanan katalizörlerin fotokatalitik aktiviteleri, şekil 1ve şekil 2 de görülen içine 8 adet toplam 64W güce ve 35337mW/m 2 ışıma şiddetine sahip UV lamba takılan, kendinden manyetik karıştırmaya sahip Luzchem marka fotoreaktör sistemde incelenmiştir. Şekil 1. Fotoreaktör sistemi dış görünümü Şekil 2. Fotoreaktör sistemi iç görünümü eaksiyonlar oda sıcaklığında yapılmıştır. Denemelereden önce bir deney sistematiği hazırlanmıştır. Hazırlanan katalizörler, reaksiyondan önce farklı karanlıkta bekletme süresi, katalizör miktarı ve fenol konsantrasyonunda test edilmiştir. Optimum reaksiyon koşullarına 1 saat karanlıkta bekletme ile, 25 ppm fenol ve,1g katalizör kullanarak ulaşıldığı görülmüştür. eaksiyonlar, 1 saat karanlıkta bekletmenin ardından 5 saat ışımayla birlikte manyetik karıştırma altında sürdürülmüştür. Fenol konsantrasyonundaki değişim Shimadzu marka UV-vis-255 spektrofotometresinde 269 nm dalgaboyunda ölçülmüştür. XD analizleri igaku marka cihazda 2 derece/dakika çekim hızıyla 2θ= 1-9 arasında incelenmiştir. 4.SONUÇL Hazırlanan katalizörlerin XD diyagramlarında (şekil 3) (TIP3) ve (TIP6) ün anataz (JCPDS ), (TIP9) ün rutil yapıda (JCPDS ) olduğu görülmüştür. yrıca, (TB) ve (TiCl 4 ) katalizörlerinin de (Şekil 4) anataz (JCPDS ) yapıda olduğu görülmüştür.

3 (TIP3) (TIP6) (TIP9) =nataz =util Pik siddeti θ (derece) Şekil 3. Farklı sıcaklıklarda kalsine edilen (TIP) katalizörüne ait XD diyagramları (TB) (TiCl 4 ) (TIP6) Pik siddeti =nataz θ (derece) Şekil 4. Farklı Ti kaynakları ile hazırlanan anataz katalizörlerinin XD diyagramları Hazırlanan katalizörlerde yapısına ait kristal boyutlar Scherrer denklemine göre hesaplanmış ve sonuçlar Tablo 1 de verilmiştir.

4 Katalizörler Kristal Boyutu(nm) (TIP3) 75,3 (TIP6) 37,9 (TIP9) 15,15 (TB) 15,44 (TiCl 4 ) 15,15 Tablo 1. Katalizörlere ait kristal boyutları (TIP) katalizörlerinde kalsinasyon sıcaklığı arttıkça kristal boyutunun azaldığı görülmüştür. eaksiyonlarda kullanılacak optimum koşulları belirlemek üzere (TIP6) katalizörü kullanılarak farklı karanlıkta bekletme süresi, fenol konsantrasyonu ve katalizör miktarı denenmiştir. Karanlıkta bekletme süresi (3 dk, 1saat, 2saat) nin fenol bozunmasındaki etkisi incelenmiş ve fenol konsantrasyonu ile ışınlama zamanı arasında grafik oluşturulmuştur (şekil 5). 1 saat karanlıkta bekletme ile daha yüksek fenol dönüşümlerine ulaşıldığı görülmüştür. Fenol Konsantrasyonu (ppm) dk 1 saat 2 saat Şekil 5.Farklı karanlıkta bekletme sürelerinin fenol bozunmasındaki etkisi *eaksiyon şartları: 5 ppm fenol çözeltisi,,2g (TIP6) mw/m 2 ışıma şiddetli UV lamba 1 saat karanlıkta bekletme ve,2g katalizör miktarı ile farklı fenol konsantrasyonlarında yapılan reaksiyonlar neticesinde 25ppm fenol çözeltisi kullanılarak daha yüksek fenol dönüşümü elde edilmiştir ( şekil 6).

5 6 Fenol Konsantrasyonu(ppm) ppm 5ppm 75ppm Şekil 6. Fenol konsantrasyonunun fenol bozunmasına etkisi *eaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme,,2g (TIP6), 35337mW/m 2 ışıma şiddetli UV lamba Çalışmanın devamında, 1 saat karanlıkta bekletme ve 25 ppm başlangıç fenol konsantrasyonu kullanılarak farklı katalizör miktarları denenmiş ve,1g katalizör kullanıldığında fenol konsantrasyonundaki azalmanın daha fazla olduğu dikkati çekmiştir (şekil 7). 2 Fenol Konsantrasyonu (ppm) ,5g,1g,2g Şekil 7. Katalizör miktarının fenol bozunmasına etkisi *eaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 25 ppm fenol çözeltisi, (TIP6) katalizör, mw/m 2 ışıma şiddetli UV lamba

6 1 saat karanlıkta bekletmenin ardından 25ppm fenol çözeltisi kullanılarak,1g katalizör kullanılarak farklı Ti kaynaklarından hazırlanan katalizörler test edilerek, zamanla fenol konsantrasyonundaki değişim takip edilmiştir. Şekil 8 de anataz (TIP6) katalizörü kullanıldığında 3 saat sonunda fenol ün tamamı bozulduğu görülmektedir. ncak, (TIP3) ve (TIP9) katalizörleri varlığında ise 5 saat sonunda fenol dönüşümlerinin sırasıyla %57,7 ve %51,4 ulaştığı görülmüştür. Kalsinasyon prosesinde 6 o C den sonra yapının anatazdan rutil dönüşmesi sonucu katalizörün oldukça düşük aktivite göstermesine neden olduğu anlaşılmıştır. 25 Fenol konsantrasyonu (ppm) (TIP3) (TIP6) (TIP9) Şekil 8. (TIP) katalizörleri varlığında Fenol ün fotokatalitik bozunmasında kalsinasyon sıcaklığının etkisi *eaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 25 ppm fenol çözeltisi,,1g (TIP) katalizör, mw/m 2 ışıma şiddetli UV lamba Şekil 9 da farklı titan kaynaklarıyla hazırlanmış katalizörlerin fotokatalitik aktiviteleri ticari katalizör olan Degussa P25 ile karşılaştırılmıştır. nataz yapıda elde edilen (TIP6) katalizörü ile -Degussa P25 katalizörüne yakın fenol dönüşümleri elde edilmiştir. Fenol bozunmasının -Degussa P25 katalizörü ile 2 saat sonunda, (TIP6) katalizörü ile 3 saat sonunda tamamlandığı görülmüştür.

7 Fenol Konsantrasyonu (ppm) (TIP6) (TB) (TiCl 4 ) Degussa P Zaman (saat) Şekil 9. Farklı Titanyum kaynakları ile hazırlanan anataz katalizörlerinin fenol ün fotokatalitik bozunmasındaki aktivite değişimleri *eaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 25 ppm fenol çözeltisi,,1g katalizör, mw/m 2 ışıma şiddetli UV lamba Sonuç olarak, gerek farklı titanyum kaynağı ve gerekse kalsinasyon sıcaklığının değişimi fenol dönüşümünü açısından iyileştirici bir etki sağlamıştır. Nano yapıda sentezlenmiş olan katalizörlerinden anataz- (TIP6) katalizörünün fenol ün fotokatalitik bozunma reaksiyonunda ticari Degussa P25 katalizörü kadar etkin bir katalizör olduğu anlaşılmıştır. ncak Degussa P25 katalizörü ile olduğu gibi, daha kısa sürede bozunma etkisi sağlayabilecek alternatif katalizörler geliştirme konusunda çalışmalar devam etmektedir. 5.KYNKL [1] Şam, E.D., Ürgen, M., Tepehan F.Z., Fotokatalistleri, İtü dergisi/d Mühendislik Cilt:6, Sayı:5-6, 81-92, 27. [2] ULLMNN S Encyclopedia of Industrial chemistry 7th edition, 27, Photochemistry,1-29. [3] Li, B., Wang,X., Yan, M., Li, L., Preparation and characterization of nano- powder, Materials Chemistry and Physics 78, , 22. [4] Zhu, Y., Zhang, L., Yao, W., Cao, L., The chemical states and properties of doped film photocatalyst prepared using the Sol Gel method with TiCl 4 as a precursor, pplied Surfice Science 158, 32-37, 2.