Çalşmanın Amacı ve Önem

Aktif karbonların yüksek yüzey alanı, mikro gözenekli yapı ve çeşitli fonksiyonel gruplar açısından zengin yüzey kimyası, oldukça yüksek mekaniksel direnç (Uğurlu ve ark. 2007) gibi özelliklere sahip olması, endüstriyel atık sulardan ağır metal gideriminde aktif karbonlara potansiyel adsorbent olma (Kobya ve ark. 2005) özelliği kazandırmaktadır. Aktif karbonlar, hiç şüphesiz bütün dünya da atık su arıtım uygulamalarında yaygın bir biçimde kullanılmakta olan en popüler adsorbenttir (El-Sikaily ve ark. 2007). Fakat aktif karbonlar pahalı materyaller olarak kalmaktadırlar. Çünkü aktif karbonun kalitesi ne kadar yüksek olursa, maliyeti de o oranda yüksek olmaktadır (Babel ve Kurmiawan 2003). Bu yüzden, düşük maliyetli aktif karbon ve diğer adsorbent materyallerin araştırılması, atık su arıtımı için büyük bir öneme sahiptir (El-Sikaily ve ark. 2006, Abdelwahab ve ark. 2006).

Ticari olarak mevcut olan aktif karbonların pahalı olması nedeniyle, yüksek karbon ve düşük inorganik içeriğine sahip herhangi bir ucuz materyal (Acharya ve ark. 2009), aktif karbon üretimi için ham materyal olarak kullanılabilir. Bu amaçla günümüzde, bol miktarlarda bulunabilir olması, ucuz maliyetli olması ve yenilenebilir olması gibi üstün özelliklere sahip ve tarımsal atık kapsamında yer alan biyokütle ve çeşitli katı maddelerden aktif karbonlar üretilebilmekte ve üretilen aktif karbonlar, adsorbent olarak evsel ve endüstriyel atık su arıtımda başarılı bir şekilde uygulanabilmektedirler. Bu tür atıklardan elde edilen aktif karbon üzerine yapılan çok sayıda çalışmanın literatür de yer aldığını görmekteyiz. Örneğin, yer fıstığı kabuğu aktif karbonu (Periasamy ve ark. 1991), Hindistan cevizi kabuğu (Dwivedi ve ark. 2008), odun aktif karbonu (Singh ve ark. 2008), Hindistan cevizi ağacı talaş karbonu (Selvi ve ark. 2001), pirinç kabuğu karbonu (Sahu ve ark. 2009) ve fındık kabuğu karbonu ( Kobya 2004b).

Aktif karbonların çoğunluğu, karbonizasyon ve aktivasyondan oluşan iki aşamalı bir proses ile üretilir. Üretim prosesinin ilk basamağı olan karbonizasyon işlemi, ham materyalin inert atmosfer ortamında belirli şartlar altında ısıl işleme tabi tutulmasıyla gerçekleştirilir. Bu işlem, numunenin karbon içeriğinin artmasına ve gözenekliliğin başlangıç aşamasının (gelişmemiş ve düzensiz gözenek yapısı) gerçekleşmesine yardımcı olur. Üretimin son basamağında ise, karbonizasyon

sonrasında gelişmemiş ve düzensiz gözenek yapısına, yüksek karbon içeriğine, kolaylıkla ve düşük üretim maliyetli olarak üretilebilen char (Mohan ve ark. 2007) numunesi, gelişmemiş gözenekli yapının gelişmesi ve yeni gözeneklerin oluşması için belirli şartlar altında aktivasyon işlemine tabi tutulur.

Temel olarak aktif karbon üretiminde uygulanan aktivasyon prosesi, fiziksel ve kimyasal olarak ikiye ayrılmaktadır. Fiziksel aktivasyona kıyasla kimyasal aktivasyon; prosesin daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilmesi ve toplam verimliliğin yüksek olması gibi iki önemli avantaja sahiptir (Acharya ve ark. 2009).

Aktif karbon üretiminde uygulanan kimyasal aktivasyon işlemi, dehidratasyon vasıtası olarak görev yapan bir alkali veya toprak alkali metal içerikli bileşiğin (KOH, ZnCI2, K2CO3, NaOH, Na2CO3, AlCI3, ZnCI2, MgCI2) ya da bir

asitin (H2SO4 ve H3PO4) eşliğinde gerçekleştirilir. Fakat aktif karbon üretimiyle

ilgili çalışmaların büyük bir çoğunluğunda kimyasal vasıta olarak, en etkili alkali tuz olan KOH ve en yaygın olarak kullanılan ZnCI2 (Ahmadpour ve Do 1997) tercih

edilmektedir. Fakat günümüzde, ZnCI2 kimyasalının çevresel problem oluşturması

ve ayrıca ZnCI2 ile üretilen aktif karbonların ürünleri kirletme olasılığı taşıması

nedeniyle ilaç ve gıda endüstrisi için uygunluk taşımaması gibi olumsuz yönlerinden dolayı aktif karbon üretiminde daha az sıklıkla kullanılmaktadır (Chandra ve ark. 2009).

KOH aktivasyonuyla üretilen aktif karbonların önemli ölçüde mikro gözenekli yapıya sahip olmaları (Issa ve Teresa 2000, Guo ve Lua 1999), bu materyallerin yüksek adsorplama kapasitesine sahip olduklarını ortaya koymaktadır.

Biyokütle materyallerine uygulanan karbonizasyon işlemi sonucunda elde edilen char numunesinin, KOH ile ara kademe doyurulma işlemiyle aktifleştirmede KOH’in etkisi iki şekilde meydana gelir. İlkinde dehidratasyonla metalik potasyum oluşumu gerçekleşir. Metalik potasyumun da karbon matriksi ile etkileşmesi, gözenek gelişimi ve yeni gözeneklerin oluşumuyla sonuçlanır. İkincisi de potasyum karbonata dönüşüm şeklinde gerçekleşir. Meydana gelen potasyum karbonat tabakası, kütle kaybına neden olan aşırı gazlaştırmadan numuneyi koruduğu için yüksek verim ve çok iyi derecede gelişmiş iç gözeneklilik elde edilir (Guo ve Lua 2002).

Günümüzde fosil kökenli birincil enerji kaynaklarının yakın gelecekte tükenecek olması endişesi, ülke yöneticilerini sürekli ve yenilenebilir enerji kaynakları bulma arayışına sevk etmiştir. Bu kaynaklar arasında yer alan ve dünyada enerji tüketiminin önemli bir dilimini karşılayan (~% 15) tarımsal atık ve biyokütle kökenli sanayi atıkları, hem yüksek potansiyelli ve yenilenebilir olması bakımından hem de çeşitli çevre dostu termo-kimyasal dönüşüm teknolojilerine (sıvılaştırma, gazlaştırma ve piroliz) olan uygunluğu açısından ilgi çekmektedir. Özellikle, gaz, sıvı ve katı yakıt gibi endüstriyel açıdan değerli ürünlerin elde edildiği biyokütle pirolizi, son zamanlarda en fazla ilgiyi çeken dönüşüm prosesi olma özelliğini taşımaktadır.

Biyokütle pirolizinin öneminin her geçen gün daha da artmasıyla, ortalama % 30–40 verimle ve düşük maliyetle kolaylıkla üretilebilen katı ürün charın geniş miktarlarda elde edilebileceği (Mohan ve ark. 2007) ümit edilmektedir. Genel olarak, yüksek karbon ve düşük kül içeriğine ve yüksek mekanik direnç özelliğine sahip charın geniş miktarlarda üretilmesi durumunda, bu kaynağın aktif karbon üretiminde ham materyal olarak değerlendirilmesi de kaçınılmaz olacaktır.

Bu bilgiler ışığında, çalışma kapsamından yapılması hedeflenenler aşağıda maddeler halinde verilmiştir.

™ Değişik sıcaklıklarda elde edilmiş olan char numuneleri (C450, C600 ve C750); üzerinde bazı ön değerlendirme çalışmaları (BET yüzey alanı, % verim ve % sorption) yaparak, başlangıç materyali olarak hangi charın kullanılması gerektiğini kararlaştırmak.

™ Başlangıç materyali olarak belirlenen char numunesi üzerinde; ZnCI2 ve KOH

kimyasal maddeleri eşliğinde gerçekleştirilen bir dizi kimyasal aktivasyon çalışmaları neticesinde, her bir kimyasal için kullanılması gereken optimum doyurulma oranını (R) belirlemek.

™ Optimum R şartlarında elde edilen aktif karbon numuneleri ile ayrı olarak aynı şartlarda Cr (VI) sorpsiyon çalışmaları yapılacaktır. Yapılan çalışmalar neticesinde her bir adsorbent için hesaplanan yüzde sorpsiyon (% sorpsiyon) ve birim kütle başına Cr (VI) giderim kapasite (q) değerlerinin birbirleriyle kıyaslanması sonucunda, aktif karbon üretiminde hangi kimyasalın kullanılmasının daha uygun olacağına karar verilecektir.

™ Çalışma için uygun olduğu belirlenen kimyasal eşliğinde uygulanan kimyasal aktivasyon sonucunda elde edilecek olan aktif karbon ve char numunesinin yüzey kimyası ve morfolojisi, FT-IR ve SEM analizleriyle aydınlatılacaktır. Ayrıca her iki numune üzerinde bir dizi analiz metotlarının uygulanmasıyla, numunelerin önemli fizikokimyasal özellikleri belirlenecektir.

™ Üretilen aktif karbonun, atık sulardan Cr (VI)’nın gideriminde sorbent olarak kullanılabilirlik yönü incelenecektir. Bunun için öncelikle aktif karbon numunesi ile Cr (VI) giderimi üzerinde etkili olduğu belirtilen önemli proses parametreleri (adsorbent dozu, temas süresi, adsorbat başlangıç konsantrasyonu, pH, karıştırma hızı ve sıcaklık) için bir dizi sorpsiyon çalışmaları yapılacak ve neticede her bir parametre için optimum değer belirlenecektir.

™ Aktif karbon ile Cr (VI) adsorpsiyon dengesi ve kinetiğinin aydınlatılması için ilgili parametrelerin değerleri hesaplanacaktır.

™ Aktif karbon numunesini, Cr (VI) giderim kapasitesi yönünden diğer ticari aktif karbonlarla kıyaslamak amacıyla, aynı optimum adsorpsiyon şartlarında her bir adsorbent ile adsorpsiyon çalışması yapılacak ve elde edilen sonuçlarının değerlendirilmesi neticesinde de üretilen aktif karbonun ticari aktif karbon olarak kullanılmasında alternatif olup olmayacağı belirlenecektir.