CO2 Ve CH4 adsorpsiyonu için adsorbent geliştirilmesi
Development of adsorbents for CO2 And CH4 adsorption
Yazar: ATAKAN TOPRAK
Danışman: PROF. DR. TÜRKAN KOPAÇ
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aktif karbon = Activated carbon ; Zeolitler = Zeolites

Özet:
Dünyada nüfusun sürekli artışına bağlı olarak insanoğlunun ihtiyaçlarının karşılanabilmesi, fosil yakıtların kullanımının ve sanayileşmenin giderek artmasına neden olmuştur. Bu artış küresel ısınmaya neden olan gazların da (CO2, CH4 ve NOx gibi) atmosferdeki konsantrasyonunu artırmıştır. Bu çalışmada sıcaklık ve kimyasal maddeler gibi parametrelerin değiştirilmesinin aktif karbonlar ve modifiye edilmiş zeolitlerin yapılarına etkilerinin belirlenmesi ve bu yapılar üzerinde N2, CO2 ve CH4 gazlarının adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, Zonguldak yöresinin Kilimli bölgesinden alınan kömür ve Kütahya'nın Akdere bölgesinden alınan doğal zeolit numuneleri adsorbent olarak seçilmiştir. Kömür numunesinin KOH, NaOH ve ZnCl2 gibi kimyasal ajanlar ile farklı oranlarda impregnasyonu ve N2 altında aktivasyonu ile (600-800oC) farklı aktif karbonlar üretilmiştir. Doğal zeolit için ise, farklı sıcaklıklarda (550-800ºC) ısısal, kimyasal (NH4Cl, NaCl ve HCl) ve saflaştırma işlemleriyle modifiye zeolitler elde edilmiştir. Elde edilen aktif karbon ve zeolitlerin yüzey alanı, gözenek boyutu ve gözenek hacim gibi yüzey özellikleri 77 K'deki N2 adsorpsiyon verilerine BET, Langmuir, DR, t-plot ve NLDFT modelleri uygulanarak belirlenmiştir. Üretilen aktif karbonlarda en yüksek BET ve Langmuir yüzey alanı K800 4:1 numunesinde 2599 ve 3240 m2/g olarak elde edilmiştir. Bu numunenin DR, t-plot, NLDFT ve toplam (P/P0= 0.99) gözenek hacimleri sırasıyla, 1.12, 0.94, 1.04 ve 1.16 cc/g.DR, NLDFT ve ortalama gözenek boyutları ise sırasıyla, 24.51, 16.88 ve 17.90 Å olarak bulunmuştur.Modifiye edilen zeolitlerde ise en yüksek BET ve Langmuir yüzey alanı 107 ve 147 m2/g olup HCl Saf-Z numunesinde bulunmuştur. NLDFT metodundan ve P/P0'ın 0.99'daki hacminden hesaplanan en yüksek gözenek hacimleri ise Na Saf-Z numunesinde olup sırasıyla, 0.282 ve 0.343 cc/g'dır. Na Saf-Z numunesinin NLDFT ve ortalama gözenek boyutları ise 264 ve 241 Å olarak belirlenmiştir. Kömürden üretilen aktif karbonların ve modifiye zeolitlerin CO2 ve CH4 adsorpsiyonu 273 K sıcaklığında ve P/P0'ın 0.02-0.99 olduğu aralıkta incelenmiştir. 273 K'de en yüksek CO2 ve CH4 adsorpsiyon kapasitesi, N2 adsorpsiyonunda olduğu gibi K800 4:1 numunesinde elde edilmiş olup sırasıyla, % 28.57 ve % 4.10 bulunmuştur. Modifiye edilen zeolitlerde 273 K'de en yüksek CO2 adsorpsiyon kapasitesi % 4.75 ile Saf-Z numunesinde, aynı sıcaklıktaki CH4 adsorpsiyon kapasitesi ise 600H-Z numunesinde olup % 0.70 olarak bulunmuştur.

Abstract:
Depending on the raise of the population on the world, the uses of fossil fuels and industrialization have been increased to meet the sustained needs of human beings. This increase pushed up the concentration of gases that cause global warming (CO2, CH4 and NOx, etc.) in the atmosphere. The aim of this study is to determine the effects of change of parameters such as temperature and chemicals on the structure of activated carbons and modified zeolites, and to investigate the adsorption properties of N2, CO2 and CH4 gases on those structures. For this purpose, coal samples from the area of Zonguldak Kilimli region and the natural zeolite samples of Kütahya Akdere region have been selected as adsorbents. Activated carbons were produced by the impregnation of coal samples in different proportions of chemical agents such as KOH, NaOH and ZnCl2 and by the activation under N2 (at 600-800ºC). For natural zeolite, thermal treatments at different temperatures (550-800ºC), chemical treatments (NH4Cl, NaCl and HCl) and purification methods have been applied and modified zeolites were obtained. The surface properties such as surface area, pore size and pore volume of activated carbon and zeolite samples obtained were identified by applying BET, Langmuir, DR, t-plot, and NLDFT models on N2 adsorption data at 77 K. The highest BET and Langmuir surface areas were obtained for the K800 4:1 activated carbon sample as 2599 and 3240 m2/g, respectively. DR, t-plot, NLDFT and total (P/P0 = 0.99) pore volumes of this sample were obtained as 1.12, 0.94, 1.04 and 1.16 cc/g, respectively. DR, NLDFT and the average pore size were found as 24.51, 16.88 and 17.90 Å, respectively. For the modified zeolites, the highest BET and Langmuir surface areas have been found as 107 and 147 m2/g for the HCl pure-Z sample. The highest pore volumes calculated from NLDFT method and the volume of P/P0 at 0.99 were obtained for Na pure-Z sample as 0.282 and 0.343 cc/g, respectively. NLDFT and average pore sizes of Na pure-Z sample were determined as 264 and 241 Å. The adsorption properties of CO2 and CH4 on activated carbons produced from coal and modified zeolites have been investigated at 273 K temperature and P/P0 in the range of 0.02-0.99. The highest CO2 and CH4 adsorption capacities at 273 K were also obtained for the K800 4:1 sample as in the case of N2 adsorption, as 28.57 % and 4.10 %, respectively. For the modified zeolites, the highest CO2 adsorption capacity at 273 K were found as 4.75 % for pure-Z sample, whereas the highest CH4 adsorption capacity at the same temperature were found for the 600H-Z sample as 0.70 %.