Aktifleştirilmiş karbon, karbonik hammaddelerden, kimyasal veya fiziksel aktivasyon metotları kullanılarak üretilen, oldukça gözenekli bir katı karbon şeklidir.
Kimyasal aktivasyonun, yüksek yüzey alanına ve dar mikrogözenek dağılımına sahip karbonlar elde etmede etkin bir yöntem olduğu bilinmektedir.
Aktifleştirilmiş karbonlar, hem gaz-faz hem de sıvı-faz ayırma süreçlerinde kullanılabilmektedir. Aktifleştirilmiş karbonların başlıca uygulama alanları, saflaştırma, organik kirleticilerin içme suyundan uzaklaştırılması ve seçici adsorpsiyonla kimyasalların geri kazanımıdır.
Çevresel zorunluluklar ve adsorplayıcı maddelere olan talep artışı fosil olmayan kaynaklardan aktifleştirilmiş karbon üretimi konusundaki araştırmalara olan ihtiyacı arttırmaktadır. Bu açıdan, tarımsal ve ormansal lignoselülozik atıklar oldukça ilgi çekmektedir.
Bu çalışmanın amacı: (1) Paulownia odunundan, değişik koşullarda üretilen aktifleştirilmiş karbonların karakterizasyonunu yapmak; (2) PZ3/1-400’ün bir adsorban olarak metilen mavisi gideriminde kullanılabilirliğini belirlemek; (3) sıcaklık, başlangıç boya kosantrasyonu, pH ve temas süresi gibi çeşitli parametrelerin metilen mavisi adsorpsiyonu üzerindeki etkisini belirlemek (4) çeşitli denge izoterm (Langmuir ve Freundlich) ve kinetik (sözde-birinci derece, sözde-ikinci derece, tanecik içi difüzyon) modellerin uygulanabilirliğini incelemektir.
Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir.
• Üretilen aktifleştirilmiş karbonların N2 adsorpsiyon izotermleri IUPAC sınıflandırmasına göre I. Tip’dir. I. Tip izoterm mikrogözenekli katıların özelliğidir. Dolayısıyla üretilen aktifleştirilmiş karbonlar az miktarda mezogözenek içermekle birlikte daha çok mikrogözenekli yapıya sahiptir.
• 3/1 emdirme oranına kadar, emdirme oranı arttıkça aktifleştirilmiş karbonun yüzey alanı da önemli ölçüde artmıştır. 4/1 emdirme oranında yüzey alanında çok önemli bir artış olmamıştır. Zaten bu kadar yüksek emdirme oranı ekonomik değildir. PZ4/1-400 ve PZ3/1-400’ün yüzey alanları birbirine çok yakındır, sırasıyla 2736 ve 2620 m2/g’dır.
• 1/2, 1/1, 2/1 ve 3/1 emdirme oranlarındaki optimum sıcaklıklar sırasıyla 600
°C, 600 °C, 500 °C ve 400 C° olarak bulunmuştur. Emdirme oranı arttıkça optimum sıcaklık düşmektedir. ZnCl2, pirolitik bozunmayı daha düşük sıcaklığa çeker. Düşük emdirme oranında, pirolize daha az miktarda aktivasyon kimyasalı girer ve gözenek oluşumu aromatik halkaların yoğunlaşması ve çatlaklar oluşması sayesinde 600 °C civarında gerçekleşir.
Yüksek emdirme oranında ise sistemde daha fazla aktivasyon kimyasalı bulunduğundan gözeneklerin oluşması 600 °C’nin altındaki sıcaklıklarda ZnCl2 aktivasyonu ile gerçekleşir.
• Genellikle aktifleştirilmiş karbonların yüzey alanı belli bir değerin üzerine çıkınca, mikrogözenek hacmi azalır mezogözenek hacmi artar. Ama bu çalışmada üretilen aktifleştirilmiş karbonların yüzey alanı arttıkça mikro gözenek hacimleri de artmaktadır, yani yüksek yüzey alanlarına sahip aktifleştirilmiş karbonlar da, çoğunlukla mikrogözeneklerden oluşan homojen bir gözenek boyut dağılımına sahiptir.
• PZ3/1-400 üzerine metilen mavisi adsorpsiyonunda pH artıkça %giderimde artmaktadır ama bu artış önemli boyutlarda değildir.
• PZ3/1-400’ün çözeltiden MM adsorpsiyon izotermi L Tipi’dir. L Tipi izoterm genellikle adsorpsiyonun tek katmanla sınırlı kaldığı ve çözücü ile minimum düzeyde rekabet olduğu durumlarda meydana gelir.
• PZ3/1-400’ün MM adsorpsiyonunda dengeye 24 saate ulaşıldığı belirlenmiştir. Sıcaklık arttıkça %giderimin artığı ama adsorpsiyon hızının
değişmediği bulunmuştur. Çözeltinin başlangıç konsantrasyonun artıkça
%giderim azalmakta, ama PZ3/1-400’ün adsorpsiyon kapasitesi artmaktadır.
Ekonomik olarak en uygun adsorbent dozu 0,1-1,5 mg/50 mL olarak bulunmuştur.
• PZ3/1-400’ün MM adsorpsiyonu denge verileri Langmuir izoterm modeline uymaktadır. PZ3/1-400’ün MM için 25, 35 ve 45 °C’deki adsorpsiyon kapasitesi sırasıyla 310, 370 ve 392 mg/g olarak hesaplanmıştır. PZ3/1-400’ün MM için adsorpsiyon kapasitesinin yüksek, adsorpsiyonun dengeye ulaşma hızının ise yavaş olduğu söylenebilir.
Sonuç olarak, bu çalışma kapsamında üretilen aktifleştirilmiş karbonlar mikrogözenekli bir yapıya sahiptir bu yüzden gaz fazdan adsorpsiyonda kullanılması daha uygundur. Özellikle yüksek emdirme oranlarında üretilen aktifleştirilmiş karbonlar oldukça yüksek yüzey alanına ve gelişmiş bir gözenekliliğe sahiptir bu açıdan ticari aktifleştirilmiş karbonlarla rekabet edebilecek düzeydedir. Bu sonuçlara bakılarak Paulownia ağacı odununun aktifleştirilmiş karbon üretimi için uygun bir hammadde olduğu söylenebilir.
Ülkemizde tekstil sektörü oldukça gelişmiştir, ama tekstil atık sularının arıtımı için aynı durum söz konusu değildir. Tekstil endüstrisinde her yıl 146.000 ton boya çevreye atılmaktadır. Tekstil atık suyunun arıtımı için adsorpsiyon, kimyasal çöktürme, filtrasyon ve oksidasyon gibi pek çok yönteme başvurulmaktadır. Bu yöntemlerden en etkili olanı adsorpsiyondur (Önal, 2006). Ülkemizde tekstil atık sularının arıtımını yaygın hale getirmek için yerli ucuz adsorbanların üretilmesi şarttır. Bu açıdan, aktifleştirilmiş karbon üretimi ve karakterizasyonu konusundaki çalışmalar ülkemiz için büyük önem taşımaktadır.
11. KAYNAKLAR DĐZĐNĐ
Adinata, D., Daud, W. M. A. W. and Aroua, M. K., 2007, Preparation and characterization of activated carbon from palm shell by chemical activation with K2CO3, Bioresource Technology, 98, 145-149.
Ahmadpour, A. and Do, D. D.,1995, The preparation of active carbons from coal by chemical and physical activation, Carbon, 34, 4, 471-479.
Alberty, R. A. and Silbey, R. J., 1992, Physical chemistry, John Wiley & Sons Inc., 898 p.
ASTM, 1983, Standart test method for moisture content of wood, ASTM Annual Book Of American Society For Testing Materials And Standards, Easton, MD, USA, D 2016-74.
ASTM, 1983, Standart test method for ash content of wood, ASTM Annual Book Of American Society For Testing Materials And Standards, Easton, MD, USA, D 1102-84.
ASTM, 1983, Standart test method for volatile matter of wood, ASTM Annual Book Of American Society For Testing Materials And Standards, Easton, MD, USA, D 1715-85.
Aydın, H. and Baysal, G., 2006, Adsorption of acid dyes in aqueous solutions by shells of bittim (Pistacia khinjuk Stocks), Desalination, 196, 248-259.
Benaddi, H., Bandosz, T. J., Jagiello, J., Schwarz, J. A., Rouzaud, L. N., Legras, D. and Béguin, F., 2000, Surface functionality and porosity of activated carbons obtained from chemical activation of wood, Carbon, 38, 669-674.
Bergmann, B. A., 2003, Five years old Paulownia field trials in North Carolina, New Forests, 25, 185-199.
Carrott, P. J. M., Carrott, M. M. L. R. and Mourão, P. A. M., 2006, Pore size control in activated carbons obtained by pyrolysis under different conditions of chemically impregnated cork, Journal Of Analytical And Applied Pyrolysis, 75, 120-127.
Corcho-Corral, B., Olivares-Marín, M., Fernández-González, C., Gómez-Serrano, V.
and Macías-García, A., 2006, Preparation and textural characterisation of activated carbon from vine shoots (Vitis vinifera) by H3PO4-chemical activation, Applied Surface Science, 252, 5961-5966.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam)
Daud, W. M. A. W., and Ali, W. S. W., 2004, Comparison on pore development of activated carbon produced from palm shell and coconut shell, Bioresource Technology, 93, 63-69.
Díaz-Díez, M. A., Gómez-Serrano, V., González, C. F., Cuerda-Correa, E. M. and Macías-García, A., 2004, Porous texture of activated carbons prepared by phosphoric acid activation of woods, Applied Surface Science, 238, 309-313.
El-Hendawy, A. A., 2005, Surface and adsorptive properties of carbons prepared from biomass, Applied Surface Science, 252, 287-295.
El-Hendawy, A. A., Samra, S. E. and Girgis, B. S., 2001, Adsorption characteristics of activated carbons obtained from corncobs, Colloids And Surfaces, 180, 209-221.
Encinar, J. M., Beltrán, F. J., Ramiro, A. and González, J. F., 1998, Pyrolysis/gasification of agricultural residues by carbon dioxide in the presence of different additives: influence of variables, Fuel Processing Technology, 55, 219-233.
Fan, M., Marshall, W., Daugaard., D. and Brown, R. C., 2004, Steam activation of chars produced from oat hulls and corn stover, Bioresource Technology, 93, 103-107.
Feng, B. and Bhatia, S. K., 2003, Variation of the pore structure of coal chars during gasification, Carbon, 41, 507-523.
Gañán, J., González, J. F., González-García, C. M., Ramiro, A., Sabio, E. and Román, S., 2006, Air-activated carbons from almond tree pruning: Preparation and characterization, Applied Surface Science, 252, 5988-5992.
Gañán-Gómez, J., Macías-García, A., Díaz-Díez, M. A., González-García, C. and Sabio-Rey, E., 2006, Preparation and characterization of activated carbons from impregnation pitch by ZnCl2, Applied Surface Science, 252, 5976-5979.
García-García, A., Gregório, A., Franco, C., Pinto, F., Boavida, D. and Gulyurtlu, I., 2003, Unconverted chars obtained during biomass gasification on a pilot-scale gasifier as a source of activated carbon production, Bioresource Technology, 88, 27-32.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam)
Giles, C. H. and Smith, D., 1974, A general treatment and classification of the solute adsorption isotherm. I. Theoretical, Journal Of Colloid And Interface Science, 47, 755-765.
Gómez-Serrano, V., Cuerda-Correa, E. M., Fernández-González, M. C., Alexandre-Franco, M. F. and Macías-García, A., 2005, Preparation of activated carbons from chestnut wood by phosphoric acid-chemical activation. Study of microporosity and fractal dimension, Materials Letters, 59, 846-853.
Guo, J. and Lua, A. C., 2002, Microporous activated carbons prepared from palm shell by thermal activation and their application to sulfur dioxide adsorption, Journal Of Colloid And Interface Science, 251, 242-247.
Guo, J. and Lua, A. C., 1999, Textural and chemical characterization of activated carbon prepared from oil-palm stone with H2SO4 and KOH impregnation, Microporous And Mesoporous Materials, 32, 111-117.
Gürses, A., Doğar, Ç., Karaca, S., Açikyildiz, M., and Bayrak, R., 2006, Production of granular activated carbon from waste Rosa canina sp. seeds and its adsorption characteristics for dye, Journal Of Hazardous Materials, 131, 254-259.
Gregg, S. J. and Sing, K. S. W., 1982, Adsorption, surface area and porosity, Academic Press, 303 p.
Hayashi, J., Yamamoyo, N., Horikawa, T., Muroyama, K. and Gomes, V. G., 2005, Preparation and characterization of high-specific-surface-area activated carbons from K2CO3-treated waste polyurethane, Journal Of Colloid And Interface Science, 281, 437-443.
Hayashi, J., Horikawa, T., Takeda, I., Muroyama, K. and Ani, F. N., 2002, Preparing activated carbon from various nutshells by chemical activation with K2CO3, Carbon, 40, 2381-2386.
Hayashi, J., Kazehaya, A., Muroyama, K. and Watkinson, A. P., 2000, Preparation of activated carbon from lignin by chemical activation, Carbon, 38, 1873-1878.
Ismadji, S., Sudaryanto, Y., Hartono, S. B., Setiawan, L. E. K. and Ayucitra, A., 2005, Activated carbon from char obtained from vacuum pyrolysis of teak sawdust:
pore development and characterization, Bioresource Technology, 96, 1364-1369.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam)
Kadlec, O., Varhaníková, A. and Zukal, A., 1970, Structure of pores of active carbons prepared by water-vapour and zinc-dichloride activation, Carbon, 8, 321-331.
Kailappan, R., Gothandapani, L. and Viswanathan, R., 2000, Production of activated carbon from prosopis (Prosopis juliflora), Bioresource Technology, 75, 241-243.
Karim, M. M., Das, A. K. and Lee, S. H., 2006, Treatment of colored effluent of the textile industry in Bangladesh using zinc chloride treated indigenous activated carbons, Analytica Chimica Acta, In press.
Karthikeyan, T., Rajgopal, S. and Miranda, L. R., 2005, Chromium (VI) adsorption from aqueous solution by Hevea Brasilinesis sawdust activated carbon, Journal Of Hazardous Materials, 124, 192-199.
Kim, J. W., Sohn, M. H., Kim, D. S., Sohn, S. M. and Kwon, S. M., 2001, Production of granular activated carbon from waste walnut shell and its adsorption characteristics for Cu2+ ion, Journal Of Hazardous Materials, 85, 301-315.
Lozano-Castelló, D., Cazorla-Amorós, D. and Linares-Solano, A., 2002, Can highly activated carbons be prepared with a homogeneous micropore size distribution?, Fuel Processing Technology, 77-78, 325-330.
Lua, A. C. and Yang, T., 2004, Effects of vacuum pyrolysis conditions on the characteristics of activated carbon derived from pistachio-nut shells, Journal Of Colloid And Interface Science, 276, 364-372.
Lua, A. C., Lau, F. Y. and Guo, J., 2005, Influence of pyrolysis conditions on pore development of oil-palm-shell activated carbons, Journal Of Analytical And Applied Pyrolysis, In Press.
Malik, R., Ramteke, D. S. and Wate, S. R., 2006, Adsorption of malachite green on groundnut shell waste based powdered activated carbon, Waste Management, In Press.
Martínez, M. L., Torres, M. M., Guzmán, C. A. and Maestri, D. M., 2006, Preparation and characterization of activated carbon from olive stones and walnut shells, Industrial Crops And Products, 23, 23-28.
Molina-Sabio, M. and Rodríguez-Reinoso, F., 2004, Role of chemical activation in the development of carbon porosity, Colloids And Interfaces, 241, 15-25.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam)
Molina-Sabio, M. and Rodríguez-Reinoso, F., 1992, Activated carbons from lignocellulosic materials by chemical and/or physical activation: an overview, Carbon, 30, 1111-1118.
Moreno-Castilla, C., Carrasco-Marín, F., López-Ramón, M. V. and Alvarez-Merino, M. A., 2001, Chemical and physical activation of olive-mill waste water to produce activated carbons, Carbon, 39, 1415-1420.
Namasivayam, C. and Sangeetha, D., 2006, Recycling of agricultural solid waste, coir pith: Removal of anions, heavy metals, organics and dyes from water by adsorption onto ZnCl2 activated coir pith carbon, Journal Of Hazardous Materials, 135, 449-452.
Namasivayam, C. and Kadirvelu, K., 1997, Activated carbons prepared from coir pith by physical and chemical activation methods, Bioresource Technology, 62, 123-127.
Olivares-Marín, M., Fernández-González, C., Macías-García, A. and Gómez-Serrano,V., 2006, Preparation of activated carbon from cherry stones by activation with ZnCl2, Applied Surface Science, 252, 5967-5971.
Önal, Y., 2006, Kinetics of adsorption of dyes from aqueous solution using activated carbon from waste apricot, Journal Of Hazardous Materials, 137, 1719-1728.
Prauchner, M. J., Pasa, V. M. D., Molhallem, N. D. S., Otani, C., Otani, S. and Pardini, L. C., 2005, Structural evolution of Eucalyptus tar pitch-based carbons during carbonization, Biomass & Bioenergy, 28, 53-61.
Qada, E. N. E., Allen, S. J. and Walker, G. M., 2006, Adsorption of Methylene Blue onto activated carbon produced from steam activated bituminous coal: A study of equilibrum adsorption isotherm, Chemical Engineering Journal, 124, 103-110.
Qian, Q., Machida, M. and Tatsumoto, H., 2007, Preparation of activated carbons from cattle-manure compost by zinc chloride activation, Bioresource Technology, 98, 353-360.
Raveendran, K. and Ganesh, A., 1997, Adsorption characteristics and pore-development of biomass-pyrolysis char, Fuel, 77, 7, 769-781.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam)
Rouquerol, F., Rouquerol, J. and Sing, K., 1999, Adsorption by powders & porous solids, Academic Press, 467 p.
Suárez-García, F., Martínez-Alonso, A. and Tascón, J. M. D., 2002, Pyrolysis of apple pulp: chemical activation with phosphoric acid, Journal Of Analytical And Applied Pyrolysis, 63, 283-301.
Sudaryanto, Y., Hartono, S. B., Irawaty, W, Hindarso, H. and Ismadji, S., 2006, High surface area activated carbon prepared from cassava peel by chemical activation, Bioresource Technology, 97, 734-739.
Şentorun-Shalaby, Ç., Uçak-Astarlıoğlu, M. G., Artok, L. and Sarıcı, Ç., 2006, Preparation and characterization of activated carbons by one-step steam pyrolysis/activation from apricot stones, Microporous and Mesoporous Materials, 88, 126-134.
Thomas, W. J. and Crittenden, B., 1998, Adsorption Technology and Design, Butterworth-Heinemann, 271 p.
Tsai, W. T., Chang, C. Y., Wang, S. Y., Chang, C. F., Chien, S. F. and Sun, H. F., 2001, Cleaner production of carbon adsorbents by utilizing agricultural waste corn cob, Resources Conservation And Recycling, 32, 43-53.
Tsai, W. T., Chang, C. Y. and Lee, S. L., 1998, A low cost adsorbent from agricultural waste corn cob by zinc chloride activation, Bioresource Technology, 64, 211-117.
Williams, P. T. and Reed, A. R., 2006, Development of activated carbon pore structure via physical and chemical activation of biomass fibre waste, Biomass &
Bioenergy, 30, 144-152.
Wu, F. C. and Tseng, R. L., 2006, Preparation of highly porous carbon from fir wood by KOH etching and CO2 gasification for adsorption of dyes and phenols from water, Journal Of Colloid And Interface Science, 294, 21-30.
Yang, R. T., 2003, Adsorption: fundamentals and applications, Wiley-Interscience, 410 p.
Youssef, A. M., Radwan, N. R. E., Abdel-Gawad, I. and Singer, G. A. A, 2005, Textural properties of activated carbon from apricot stones, Collids And Surfaces, 252, 143-151.