Uçucu organik bileşiklerin yukarı akışlı dolgulu kolonda giderimi
Volatile organic compound removal at upflow packed bed column
Yazar: YAĞMUR TAŞ
Danışman: DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER ; PROF. DR. AHMET KARAGÜNDÜZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
İnsanların zamanının büyük bir çoğunluğunu geçirdiği çalışma alanları gibi iç ortamlar, içerisinde sürekli bir hava döngüsünün olmadığı ve gaz fazda kirleticilerin yoğun olduğu ortamlardır. Bu tür ortamlar günümüzde insan sağlığını tehdit eden en büyük risklerin başında gelmektedir. İç ortamda çeşitli kaynaklardan ortama yayılan kirleticilerin belirlenmesi ve alınacak önlemlerin geliştirilmesi insan sağlığı için büyük önem teşkil etmektedir. İç ortamda bulunan hava kalitesinin arttırılması doğrudan insanların hayat kalitesini de arttıracağı için, son yıllarda iç ortamda bulunan gaz fazdaki kirleticilerin giderimi için yapılan çalışmalar oldukça artmıştır. Bu hava kalitesini etkileyen başlıca kirleticiler uçucu organik bileşiklerdir (UOB).
Uçucu organik bileşikleri diğer iç ortam kirleticilerinden ayıran, belki de en önemli özelliği oda sıcaklığında kolayca buhar fazına geçiş yapabilmesidir. ABD Çevre Koruma Ajansının (EPA) gerçekleştirdiği çalışmalarda, bazı organik bileşiklerin endüstriyel çalışma alanları ve benzin istasyonları gibi çeşitli iç ortamdaki konsantrasyonlarının dış ortam konsantrasyonlarına göre daha fazla olduğu görülmüştür. Bu nedenle bu tür kirleticilerin giderim yöntemleri ile ilgili çalışmalar
oldukça önem kazanmıştır.
UOB'lerin iç ortam havasından giderimi için, fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Çalışmalarda en çok tercih edilen yöntemler reaktör dizaynı içerecek şekilde adsorpsiyon, absorpsiyon, membran ve biyofiltrasyondur.
Yapılan bu tez çalışması kapsamında, aktif karbon ve silika jel ile hazırlanmış yukarı akışlı dolgulu kolonda buhar fazında toluen ve ksilen giderimi çalışılmıştır. Çalışma süresince, toluen için üç farklı sıcaklıkta (5,10 ve 20°C), üç farklı akış hızında (0,5, 0,75 ve 1 L/dk) ve iki farklı malzemede giderim çalışması yapılırken, ksilen için toluen deneylerinde belirlenmiş en iyi şartlarda (20°C, 0,75 L/dk ve aktif karbon) giderim çalışması gerçekleştirilmiştir. Dolgulu kolonda toluenin buhar fazında adsorpsiyon ve desorpsiyon çevrimleri çalışılmış ve yapılan desorpsiyon çalışması
sırasında literatürde çok fazla çalışılmamış bir yöntem ile, yüksek sıcaklıkta (180-200°C) desorpsiyon işlemi uygulanmıştır. Yukarı akışlı dolgulu kolonda toluen giderimi için aktif karbon ve silika jelin malzeme performansları giderim verimleri açısından karşılaştırılmıştır. Sabit çalışma şartları altında silika jel ile karşılaştırıldığında aktif karbonun tolueni giderim süresinin silika jele göre daha yüksek olduğu, aktif karbonun adsorplama kapasitesinin (320 mg toluen/g aktif karbon), silika jelin adsorplama kapasitesine göre (255 mg toluen/g silika jel) daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Sıcaklığın giderim verimlerine olan etkisinin incelendiği bir diğer çalışmada, sıcaklık artışıyla giderim veriminin arttığı ve en yüksek giderim veriminin 20°C'de olduğu gözlenmiştir. Akış hızının etkisine bakıldığında ise en yüksek giderimin 0,75 L/dk akış hızında olduğu görülmüştür.
Aktif karbonun farklı kirleticileri giderim verimine bakıldığı çalışma setinde, toluen ile yapılan deney şartları sabit tutularak, ksilen kirleticisi ile deneyler yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre, aktif karbonun ksilen giderim verimi toluene göre daha yüksek çıkmış ve adsorplanma kapasiteleri karşılaştırıldığında ise ksilenin adsorplanma kapasitesinin toluene göre daha fazla olduğu görülmüştür. Bunun en önemli nedeninin ksilenin düşük buhar basıncına sahip olması, aktif karbonun mikro yüzeylerine tutunumunu arttırdığı sonucuna varılmıştır.
Giderim çalışmaları süresince yapılmış adsorpsiyon-desorpsiyon döngülerinde aktif karbonun sıcaklık ile desorpsiyon çalışmaları yürütülmüş ve desorpsiyon veriminin tekrar kullanılabilirliğe etkisi incelenmiştir ve %3-%10 arasında bir performans kaybı olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Interior environments such as working areas, where people spend most of their time are environments in which there is no continuous air cycle and pollutants are concentrated in the gas phase. Such environments are among the biggest risks that threaten human health today. Pollutants in the indoor environment enter the body through respiratory tract and skin contact and cause various diseases. The severity of these diseases depends on the physical characteristics of the individual exposed to the indoor pollutant, the concentration of the pollutant and the duration of exposure. The longer the exposure time and the higher the concentration of pollutant, the greater the risk of contracting the disease. Identification of pollutants emitted from various sources in interior environment and
development of measures to be taken are of great importance for human health. Since the improvement of indoor air quality will directly improve the quality of life of people, studies on the removal of pollutants in the gas phase have increased considerably in recent years. These studies on indoor air pollution were mostly carried out with chemical pollutants. Chemical pollutants are found in the indoor air, especially in industrial work areas, which are the subject of this thesis, and they are
relatively difficult to remove from the environment. Such pollutants spread and accumulate indoors from building materials, plastics, adhesive materials used in the building and various chemicals in the working environment. The major chemical pollutants affecting this air quality are volatile organic compounds (VOCs). One the most important features of volatile organic compounds is that they can easily switch to the vapor phase at room temperature. In the studies carried out by the United
States Environmental Protection Agency (EPA), it has been observed that some organic compounds have higher concentrations in various indoor environments such as home and office than outdoor concentrations. For this reason, studies on the removal methods of such pollutants have gained considerable importance. BTEX group pollutants in the volatile organic compounds category have been used in studies due to their potential for carcinogenicity. Toluene and xylene, which are in the BTEX group, have been used as pollutants within the scope of this thesis and their removal methods have been studied.
Physical, chemical and biological methods are used to purify the VOCs from indoor air. The most preferred methods in the studies are adsorption, absorption, membrane and biofiltration that includes reactor design. The adsorption method has been chosen for this thesis study. In the adsorption method, contaminants adhere to the adsorbent pores by both physical and chemical adsorption. Most commonly used adsorbents in adsorption methods are silica gel, activated carbon, coal and zeolites. In the adsorption experiments conducted for this thesis, activated carbon was preferred as the adsorbent material. Activated carbon is preferred due to the density of its pore structure. Thanks to this pore density, pollutants adsorb better on activated carbon and this significantly increases the adsorption capacity. After the adsorption studies, desorption studies were also tried in this thesis. For the desorption study, a furnace that can reach high temperatures was used, a heat-resistant steel column reactor was placed in the furnace and experiments were carried out. For the adsorption study set, upflow packed bed column was preferred and the test setup was created according to this column type. Granular activated carbon and silica gel were used in the experiment. The two adsorbents were kept in the drying oven at 105C in order to be dehumidified, then the column was packed by placing it in a steel column.In the experimental studies, a gas flow meter device was used to keep the flow rate constant, a water bath to keep the pollutant at constant temperature, a glass washing bottle to facilitate the transition of the liquid pollutant into the gas phase, and the GC device where concentration measurements were made.
In this study, removal of vapor-phase toluene and xylene was studied in an upflow packed bed column that is made of activated carbon and silica gel. The study was carried out at three different temperatures (5, 10, 20° C), three different flow rates (0,5, 0,75, 1 L/min) and with two different adsorbents (activated carbon and silica gel) for toluene. For xylene, removal study was carried out under the best conditions that is determined in the toluene experiments, which is 20° C, 0,75 L/min and activated carbon. The material performances of activated carbon and silica gel for toluene removal in the upflow packed bed column were compared in terms of removal efficiencies. Compared with silica gel under the same conditions, the time to remove the toluene of activated carbon is higher than that of silica gel while the adsorption capacity of the activated carbon (320 mg toluene/g activated carbon) is higher than the adsorption capacity of the silica gel (255 mg toluene/g silica gel). In the study, where the effect of temperature on removal efficiency was examined, it was observed that the removal efficiency increased with temperature rise and the highest removal efficiency was at 20 ° C. When the effect of the flow rate is analyzed, it is determined that the highest removal is at the flow rate of 0,75 L/min. In the study set, where the removal efficiency of the activated carbon on different pollutants is examined, experiments with toluene were also carried out under the same conditions as xylene pollutant. According to the results of the experiment, the xylene removal efficiency of activated carbon was higher than toluene, and when the adsorption capacities were compared, it was observed that the adsorption capacity of xylene was higher than toluene. It has been concluded that the most important reason
for this is that the xylene has low vapor pressure and passes to the vapor phase more easily and accordingly, the contact of the xylene to the activated carbon surface is higher than toluene, and therefore this feature increases the adhesion of the xylene to the micro surfaces of the activated carbon. In addition, the fact that xylene is more polar than toluene has facilitated its adhesion on activated carbon. As it is stated in the literature with activated carbon, polar substances perform better physical adsorption, which leads to an increase in the adsorption capacity of polar substances on activated carbon. In this thesis study, as stated above, it was found that xylene is
better adsorbed than toluene.
During the removal studies, the desorption studies of the activated carbon with temperature were carried out in the adsorption-desorption cycles. The effect of desorption efficiency on reusability was examined and it was determined that there was a performance loss between 3% and 10%. Although this loss of adsorption capacity seems to be a high percentage compared to small-scale studies in the literature, it has been determined that it is an expected result in field studies and industrial applications.