Karbon yapılarda organik buhar adsorpsiyonu
Organic vapor adsorption on carbonous structures
Yazar: FATMA OĞUZ ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. GÜLŞEN DOĞU ; PROF. DR. TÜRKAN KOPAÇ
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Kömür = Coal ; Zonguldak = Zonguldak

Özet:
Aktif karbon; geniş yüzey alanı, gözenekli yapısı ve yüksek adsorpsiyon kapasitesi nedeniyle hem sıvı hem de gaz ve buharların adsorpsiyonunda en geniş kullanım alanına sahip adsorbenttir. Bu çalışmada Zonguldak bitümlü kömürlerinin aktif karbon üretiminde hammadde olarak kullanılması ve elde edilen aktif karbonların özelliklerinin üretim şartlarıyla ilişkisi incelenmiştir. Bu amaçla; Kozlu (K1) ve Karadon (K2) İşletmelerinden temin edilen bitümlü kömürlerin farklı koşullardaki (farklı gaz, akış hızı, sıcaklık, ve KOH, NaOH, H3PO4, ZnCl2 gibi farklı aktivasyon kimyasalı ve miktarı) fiziksel ve kimyasal aktivasyonları sonucunda elde edilen ürünlerin ne ölçüde aktif karbon özellikleri taşıdıkları ve bu aşamalarda ne gibi değişikliklere uğradıkları deneysel bir sistematik çerçevesinde incelenmiştir. Deneysel çalışmada öncelik optimum akış hızı, optimum aktivasyon süresi ve optimum kimyasal aktivasyon ajanı miktarının belirlenmesine verilmiştir. Elde edilen aktif karbonların yüzey alanları ve gözenek yapıları 77 K'de N2 gazı ile BET, Langmuir ve t-metod (de Boer) yöntemleriyle belirlenmiştir. Fiziksel yöntemle elde edilen aktif karbonlarda en yüksek BET yüzey alanı Kozlu kömüründe 415 m2/g (N2 ile 700 ºC'de) ve 251 m2/g (CO2 ile 800 ºC'de)olarak elde edilirken Karadon kömüründe ise 311 m2/g (N2 ile 600 ºC'de) ve 69 m2/g (CO2 ile 800 ºC'de) olarak elde edilmiştir. Kimyasal yöntemle elde edilen aktif karbonlarda en yüksek BET yüzey alanı ve mikro gözenek hacmi Kozlu kömüründe 1904 m2/g ve 0.94 cc/g (KOH ile 800 ºC'de) iken Karadon kömüründe ise sırasıyla 1659 m2/g ve 0.76 cc/g (KOH ile 700 ºC'de) olarak belirlenmiştir. Bu inceleme sonucunda Zonguldak kömüründen yüksek yüzey alanlı ve geniş mikro gözenek hacmine sahip aktif karbonlar başarılı bir şekilde elde edilebilmiştir.Çalışmanın ikinci kısmında Zonguldak bitümlü kömüründen elde edilen aktif karbonlar üzerine etanol, aseton ve izopropanolün buhar fazından adsorpsiyonu incelenmiş ve bu aktif karbonların adsorplama kapasiteleri ticari aktif karbon ile karşılaştırılmıştır. Oda sıcaklığında kömür numuneleri, ticari aktif karbon ve kömürden elde edilen aktif karbonlarda bu organik buharların adsorpsiyonuna ait veriler BET, Langmuir, Freundlich, DR (Dubinin-Radushkevich), DA (Dubinin-Astakhov), Harkins-Jura, Henderson, Halsey ve Smith gibi farklı matematik modellerle karşılaştırılmış ve izoterm parametreleri belirlenmiştir. Etanolün adsorpsiyonunda en yüksek adsorplama kapasitesi ticari aktif karbon için % 21 iken Kozlu kömüründen elde edilen en yüksek yüzey alanlı aktif karbonda % 43.5 ve Karadon kömüründen elde edilen en yüksek yüzey alanlı aktif karbonda ise % 38 olarak belirlenmiştir. Aseton adsorpsiyonunda bu değerler sırasıyla % 28.8, 44 ve 46, izopropanol adsorpsiyonunda ise % 28, 39.7 ve 38.8 olarak belirlenmiştir. Zonguldak bitümlü kömüründen elde edilen aktif karbonların uçucu buharları ticari aktif karbondan daha fazla adsorpladığı gözlemlenmiştir.Çalışmanın üçüncü bölümünde Zonguldak bitümlü kömüründen fiziksel ve kimyasal olarak elde edilen aktif karbonlar üzerinde hidrojenin adsorpsiyonu atmosferik basınçta ve 77 K'de incelenmiştir. K1 kömüründen hazırlanan aktif karbonlar arasında en yüksek adsorplama kapasiteleri K1_700 isimli aktif karbonda % 2.04, K1_Z_800 isimli aktif karbonda % 2.6 olarak bulunmuştur. K2 kömüründen hazırlanan aktif karbonlar arasında K2_K_600 % 2.83, K2_K_700 % 5.43, K2_N_700 % 4.09, K2_N_800 % 4.5, K2_Z_400 % 5.2 adsorplamışlardır. Buradan hidrojen adsorpsiyonu için K2 kömüründen elde edilen aktif karbonların, K1 kömüründen elde edilen aktif karbonlardan oldukça etkin oldukları gözlemlenmiştir.

Abstract:
Activated carbon is an adsorbent which has the most common use for adsorption of liquids, gases and vapors due to its large surface area, porous structure and high adsorption capacity. In this study, the usage of Zonguldak bituminous coals as raw material in the production of activated carbon and the relationship between properties of obtained activated carbons with the production conditions have been investigated. For this purpose, the properties of activated carbons obtained by the physical and chemical activations of bituminous coals supplied from the Kozlu and the Karadon mines, at different conditions (such as different gas, flow rate, temperature, and different activation chemicals such as KOH, NaOH, H3PO4, ZnCl2, and different amounts of activation chemicals) and the changes during these stages have been investigated in an experimental systematic framework. In the experimental study the priority was given to the determination of optimal flow rate, activation time and amount of activation chemical.The surface area and the pore structures of obtained activated carbons were surface areas for physically activated carbons were found as 415 m2/g (with N2, at 700°C) and 251 m2/g (with CO2, at 800°C) for Kozlu coal and 311 m2/g (with N2, at 600°C) and 69 m2/g,determined by the BET, Langmuir and t-methods (de Boer) with N2 at 77 K. The highest BET for Karadon coal. For chemically activated carbons the highest BET surface area and micropore volume were found as 1904 m2/g and 0.94 cc/g (with KOH, at 800°C) for Kozlu coal, and 1659 m2/g and 0.76 cc/g (with KOH, at 700°C) for Karadon coal. Eventually, activated carbons with high surface area and micropore volumes have been successfully obtained from Zonguldak coals.In the second part of the study, the adsorption of ethanol, acetone and isopropanol vapors on the obtained activated carbons at room temperature have been investigated and the adsorption capacities of these activated carbons have been compared with the commercial activated carbon. Adsorption equilibrium data of these organic vapors on coal samples, commercial activated carbon and activated carbons obtained were compared with mathematical models such as BET, Langmuir, Freundlich, DR (Dubinin Radushkevich), DA (Dubinin-Astakhov), Harkins-Jura, Henderson, Halsey and Smith isotherm parameters were determined. The highest adsorption capacities for ethanol adsorption were found as 21% for commercial activated carbon, 43.5% for activated carbon with the highest surface area from Kozlu coal, 38% for activated carbon with the highest surface area from Karadon coal. For acetone adsorption, these values were found as 28.8%, 44% and 46% and for isopropanol adsorption 28%, 39.7% and 38.8%, respectively. It was observed that the adsorption capacity of activated carbons obtained from Zonguldak bituminous coals for volatile vapors was higher than commercial activated carbon.In the third part of the study, the hyrogen adsorption on physically and chemically activated carbons from Zonguldak bituminous coals has been investigated at atmospheric pressure and 77 K. The highest adsorption capacities through activated carbons from K1 coal are 2.04% for K1_700 activated carbon and 2.6% for K1_Z_800 activated carbon. For K2 coal the highest capacities are 2.83% for K2_K_600, 5.43% for K2_K_700, 4.09% for K2_N_700, 4.5% for K2_N_800 and 5.2% for K2_Z_400. The activated carbon produced from K2 coals were found to be highly active as compared to K1 coals for hydrogen adsorption.