BİYO KÜTLEDEN ÜRETİLEN AKTİF KARBONUN ADSORPSİYON KAPASİTESİNİN İNCELENMESİ
Dilem ARTARa, Şule YAĞMURa, Neslihan DURANAYa,*, Filiz KARa
aFırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Müh. Böl. ,Elazığ, 23279
*Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Müh. Böl. ,Elazığ, 23279, nduranay@firat.edu.tr, fkar@firat.edu.tr
ÖZET
Bu çalışmada aktif karbon üretiminde şarap ve yağ endüstrisi atıkları olan üzüm posası, pamuk kozası ve ay çekirdeği kabuğu kullanıldı. Kimyasal ön işlem uygulanan biyokütlelere termal aktifleştirme işlemi uygulandı. Kimyasal ön işlem farklı konsantrasyonlarda fosforik asit kullanılarak yapıldı. pH ayarlandıktan sonra inert atmosferde kurutulan numuneler 400C’de kapılı bir sistemde aktifleştirildi. Orijinal, kimyasal işlem görmüş ve aktifleştirilmiş numunenin yapısında meydana gelen değişimlerin belirlenmesi amacıyla, proximate, elementel ve FTIR analizleri yapıldı. Elde edilen aktif karbonun adsorpsiyon kapasitesi araştırmak amacıyla metilen mavisi (MM) çözeltisi kullanıldı. Adsorpsiyonu etkileyen şartların belirlenebilmesi için adsorpsiyona sıcaklığın (20-50 oC), pH’nın (2-8) ve adsorbent dozunun (0,5-2 mg/100ml)) etkisi araştırıldı. Ayrıca adsorpsiyonun tamamlanması için iki saatlik sürenin yeterli olduğuna karar verildi. Sonuç olarak biyo kütlelerden üretilen aktif karbonun uygun şartlarda boyar madde adsorpsiyonunda kullanılabileceği tespit edildi.
Anahtar kelimeler: Biyo kütle, aktif karbon, adsorpsiyon.
1. GİRİŞ
Aktif karbon, baca gazından zararlı bileşikleri ayırmada, içme suyunun arıtılmasında, endüstriyel atık suların temizlenmesinde kullanılan önemli bir filtre malzemesidir. Bu geniş kullanım alanından dolayı, gelecekte bir çok ülkenin çevresel sounlarının çözümü için ihtiyaç duyulan madde olacaktır [1]. Aktif karbon ticari olarak genellikle kömür, odun ve hindistan cevizi kabuklarından üretilmektedir. Fakat son zamanlarda aktif karbona artan ihtiyaç araştırmacıları farklı kaynak aramaya sevk etmiştir. Aktif karbonüretimi için saman, talaş, yağ ve şeker fabrikası gibi endüsriyel atıklar ve tarım sanayii atıkları gibi bir çok biyokütle kullanılmıştır[2-4].Aktif karbon üretiminde, atık biyo kütlenin çok çeşitli olması aktivasyon için uygulanacak teknolojinin genelleştirilmesini zorlaştırmaktadır. Dönüştürme basamağının, sıcaklık aralığı, kalma süresi biyo kütleye göre değişir. Biyo kütlede bulunan kül iyi bir yüzey alanının oluşmasını engellemektedir. Külün aktifletirme işlemi öncesi çeşitli asidik veya bazik yıkama ile kül miktarı azaltılabilir.
Sunulan çalışmada endütriyel atık olan şarap fabrikası posası, ay çekirdeği kabuğu ve pamuk kozası farklı konsantrasyolarda fosforik asit ile yıkanarak kurutuldu ve numune 400C’de aktifleştirildi. Elde edilen aktif karbonun aktivasyon kapasitesini belirlemek için metilen mavisi (MM) kullanıldı. Üzüm posası için belirlenen adsorpsiyon şartları aynı şekilde hazırlanan ay çekirdeği kabuğu ve pamuk kozasına uygulandı.
Deneysel çalışmalarda kullanılacak olan üzüm küspesi öğütüldü ve elek analizinden geçirilerek 16 mesh (0,37 mm<Dp<0,47 mm) tanecik boyutu ayrılarak plastik torbalarda muhafaza edildi. Numuneler kül ve uçucu madde miktarları sırası ile ASTM-D3174 ve ASTM- D3175 standardına göre belirlendi.
Kimyasal ön işlemde kullanılmak için H3PO4; pH ayarlamaları için HCL, NaOH;
adsorpsiyon deneylerinde ise renk veren madde olarak Metilen Mavisi kullanıldı.
16 mesh tanecik boyutunun altında hazırlanmış olan üzüm küspesinin %20, %40 ve
%60’lık konsantrasyonlarda hazırlanmış olan H3PO4 çözeltileri ile 60 dk yıkandı. Bir gün bekletildikten sonra pH ölçümü yapıldı. pH uygun değer oluncaya kadar saf su ile yıkandı. Daha sonra numuneler süzülerek ayrıldı ve etüvde 70 C’de 12 saat kurutuldu. Kurutma işlemi tamamlandıktan sonra aktifleştirme işlemine geçildi. Etüvde kurutulmuş olan numunelerden uygun miktarlarda krozelere doldurarak tartımları alındı ve krozeler 400 C’de kül fırınında aktifleştirildi. Aktifleştirme işlemi sonunda soğutulan krozeler tartılarak aktif karbon miktarları belirlendi.
Hazırlanan metilen mavisi stok çözeltisi saf su ile seyreltildi. Tamamen öğütülmüş aktif karbon numunesinden 0.5, 1 ve 1.5 gramlık örnekler çözeltiye eklenerek farklı adsorbent dozlarının adsorpsiyona etkisi incelendi. 30C sıcaklık ve sabit çalkalama hızında belirli zaman aralıklarında ( 10, 30, 60, 90, 120 dk.) örnekler alındı ve 5 dakika süre ile 4000 rpm’de santrifüjlendi. Santrifüjlenen örnekler UV spektrofotometrede analiz ederek farklı miktarlardaki aktif karbonun ne kadar metilen mavisi adsorbladığı bulundu. PH nın etkisini incelemek için yapılan deneyler en yüksek adsorpsiyon verimininelde edildiği1.5 g adsorbent dozlarında ve 2, 6 ve 8 pH değerlerinde tekrarlandı. Adsorpsiyon verimine sıcaklığın etkisinin araştırıldığı deneyler 20, 30, 40 ve 50 C sıcaklıklarda belirlenen absorbent dozu (1,5 g) ve pH = 6 değeri için gerçekleştirildi.
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Aktif Karbon Üretimi Deney Sonuçları Tablo 1. Proximate analiz sonuçları
Numune % Nem %Uçucu
madde
% Kül % Sabit karbon
Üzüm 7,3 66,47 3,78 22,45
H3PO4 ile yıkanmış üzüm - 74,25 0,53 25,22
Aktif karbon - 29,47 2,48 68,05
Orijinal, yıkanmış ve aktifleştirilmiş örneklerin proximate analiz (Tablo 1) sonuçları karşılaştırıldığında; yıkanmış numunenin uzaklaştırılan minereal maddeden dolayı kül miktarında azalma görülürken uçucu made miktarının arttığı tespit.edildi. Aktif karbon için proximate analiz verileri incelendiğinde beklendiği gibi uçucu madde miktarının azaldığı fakat kül miktarının arttığı görüldü. Ayrıca aktif karbonun sabit karbon oranındaki artış da beklenen bir durumdur.Tablo2’deki Elementel analiz sonuçlarına bakıldığında C oranı değişmezken H,N ve S oranlarının düştüğü tespit edilmiştir.
Tablo 2. Elementel analiz sonuçları
Tablo 3. Üzüm posasının farklı asit konsantrasyonlarnda yıkanması sonucu üretilen aktif karbonların verimi
% H3PO4 (Hacim) % Verim
%20 33.53
%40 37.34
%60 32.21
Şekil 1. Aktifleştirilmiş, H3PO4 ile yıkanmış ve orijinal üzüm küspesinin FTIR spektrumları
Şekil 1.’de orijinal, H3PO4 ile yıkanmış ve aktifleştirilmiş üzüm posasının yapısındaki değişim verilmektedir. Her üç örneğin FTIR spekturumları karşılaştırıldığında 3500-3400 cm-1 dalga boyları arasındaki pik O-H hidroksil grubunun bulunduğunu ifade etmektedir. Orijinal numunede bu titreşim gerilimi daha belirgindir. Uygulanan kimyasal yıkama ve aktifleştirme işlemlerinin sonucu yapıda bulunan O-H içeren gurupların (fenoller gibi) uzaklaştığını göstermektedir. Ayrıca sadece orijinal numunede 2900 cm-1 dalga boyunda görülen pik metilen (-CH2-) grubuna ait C-H gerilmesini ifade etmektedir. 1620cm-1 dalga boyunda görülen pik lignin içeren yapının aromatik halkadaki C=C bağına ait gerilmeyi belirtir. Bu yapı her üç numunede de mevcuttur. Orijinal numunede 1420 cm-1 dalga boyunda selülozik yapıya ait -CH3- deformasyonu bulunmaktadır. Selülozik yapının asitle yapılan yıkamadan etkilendiğini göstermektedir. 1100 cm-1 de görülen pik ise selüloz yapısında bulunan eter ve aromatiklerin içerdiği C-H bağı deformasyonunu ifade eder.
Numune %C %H %N %S
Üzüm 48,70 6,373 2,129 0,262
H3PO4 ile yıkanmış üzüm 54,90 6,789 1,062 0,160
Aktif karbon 56,99 3,111 1,269 0,052
Adsorpsiyon Deney Sonuçları
Adsorpsiyon Verimine Adsorbent Dozunun Etkisi
Şekil 2. Adsorbent dozunun adsorpsiyon verimine etkisi.
Adsorbent dozunun etkisinin araştırıldığı deneyler 0.5, 1, 1.5, 2 mg/100 ml adsorbent dozlarında yapılmış ve giderme veriminin 1.5 ve 2 mg/100 ml adsorbent dozunda önemli bir fark olmadığı gözlendi.
Adsorpsiyon Verimine Çözelti pH’sının Etkisi
Şekil 3. Çözelti pH’sının adsorpsiyon verimine etkisi
Çözelti pH’sının adsorpsiyon kapasitesini nasıl etkilediğini tespit etmek için yapılan deneyler sonucunda, pH 6 ile 8’de yüksek adsorpsiyon kapasitesinin elde edildiği bulundu. pH=6 optimum değer olarak kullanıldı.
0 20 40 60 80 100 120
0 50 100 150
Temas süresi (dk)
Adsorpsiyon verimi(%)
0,5 1 1,5 2
Adsorpsiyon Verimine Sıcaklığın Etkisi
Şekil 4. Sıcaklığın adsorpsiyon verimine etkisi
Adsorpsiyon kapasitesinin sıcaklığın artması ile belirli bir düzende değişmediği 30oC’den sonra adsorpsiyonun arttığı ve 20oC’ın haricindeki sıcaklıklarda temas süresinin artmasıyla adsorpsiyon kapasitesinin birbirine yaklaştığı gözlendi. Yüksek sıcaklıklarda dengeye ulaşma süresi 100-120 dakika civarında bulundu.
Üzüm posası, pamuk kozası ve ayçekirdeği kabuklarından hazırlanan aktif karbonların aynı konsantrasyonda metilen mavisini adsorplama verimi Şekil 5’de verilmektedir. Biyo kütleden üretilen aktif karbonların adsorpsiyon kapasitesinin oldukça iyi olduğu görüldü. Ayrıca aktif karbon verimi düşük olan pamuk kozası ve ayçekirdeği kabuğunun adsorpsiyon verimi üzüm posasından üretilen aktif karbondan yüksek olduğu tespit edildi.
Şekil 5. Farklı biyo kütlelerden hazırlanan aktif karbonların adsorpsiyon verimlerinin karşılaştırılması.
0 20 40 60 80 100 120
0 50 100 150
Temas süresi (dk)
Adsorpsiyon verimi (%)
20 30 40 50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 50 100 150
Temas süresi (dk)
Adsorpsiyon verimi (%)
çekirdek pamuk üzüm
Kaynaklar
1. Schröder E., Thomauske K., Weber C., Hornung A., Tumiatti V.. “Experiments on the generation of activated carbon from biomass”,Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Cilt 79, No1–2, 106-111, 2007.
2 Skodras G., Diamantopoulou Ir., Zabaniotou A., Stavropoulos G., Sakellaropoulos G.P., “Enhanced mercury adsorption in activated carbons from biomass materials and waste tires”, Fuel Processing Technology ,88, 749–758, 2007.
3. Taya T., Ucarb S., Karagözb S., “Preparation and characterization of activated carbon from waste biomass”
Journal of Hazardous Materials 165, 481–485, 2009.
4. Amaya A., Medero N., Tancredi N.,Silva H., Deiana C., “Activated carbon briquettes from biomass materials”
Bioresource Technology 98, 1635–1641, 2007.
5. Abak, H., “Sulu çözeltilerden metilen mavisinin fındık kabuğu yüzeyine adsorpsiyon ve adsorpsiyon kinetiği”, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2008.
