Biyokütle temelli aktif karbonların yüzey modifikasyonu ve karakterizasyonu
Surface modification and characterization of biomass based activated carbon
Yazar: YAVUZ GÖKÇE
Danışman: PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Biyokütle = Biomass ; Fiziksel özellikler = Physical properties ; Kimyasal özellikler = Chemical properties ; Yüzey modifikasyonu = Surface modification ; Yüzey özellikleri = Surface properties

Özet:
Aktif karbon yüksek yüzey alanı ve gözenekli bir yapıya sahip karbon temelli bir malzemedir. Endüstride birçok uygulamada sıkça tercih edilmektedirler. Başlıca avantajları, toplam yüzey alanıyla gözenek hacminin yüksek olması ve aktif yüzeyde bulunan farklı tipteki fonksiyonel gruplardır. Hammaddenin pahalı olması, üretim yöntemindeki yüksek enerji tüketimi ve uygulanan yüksek sıcaklık sonucu yüzeyin apolarlaşması aktif karbonların büyük ölçeklerde kullanımını kısıtlamaktadır. Son yıllarda, çeşitli tarımsal yan ürünler kullanılarak biyokütle temelli aktif karbon üretimine yönelik çalışmalar yoğunlaşmıştır. Ayrıca, yüzey modifikasyonu işlemleri ile yüzey özellikleri değiştirilerek farklı kullanım alanları için aktif karbon üretimi giderek yaygınlaşmaktadır.
Bu doktora çalışmasında, farklı hammaddeler kullanarak yüksek yüzey alanı ve gözenek hacmine sahip aktif karbon üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen örnekleri, çeşitli fiziksel (mikrodalga enerji ve geleneksel ısıl işlem) ve kimyasal (asidik, bazik ve emdirme işlemleri) yüzey modifikasyonu yöntemleri ile modifiye ederek yüzey özelliklerinin değiştirilmesi, modifiye edilen örneklerin çeşitli uygulamalardaki performanslarının incelenmesi ve modifikasyon mekanizmalarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Lazer parçacık boyut dağılımı, yüzey alanı, gözenek boyut dağılımı, elementel analiz, kül analizi, Boehm titrasyonu, FTIR, XRD, XPS, UV-Vis ve SEM-EDS gibi analiz yöntemleri ile karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
Çalışmalar, aktif karbonun yüzey özelliklerinin seçilen hammaddeye ve uygulanan modifikasyon yöntemine oldukça bağlı olduğunu göstermektedir. Fiziksel modifikasyon yöntemlerinde işlem süresinin artmasıyla yüzey alanı ve toplam gözenek hacmi azalmaktadır. Kimyasal modifikasyon işlemlerinde, kimyasal modifikasyon aracının derişimindeki artışa bağlı olarak yüzey alanı ve toplam gözenek hacminde azalma gözlenmiş, örneklerin kimyasal yapılarında ciddi değişimler belirlenmiştir. Yüzey özelliklerinin değişimi adsorpsiyon performansını doğrudan etkilemektedir. Aktif karbon yüzeyi, adsorplanacak maddeye göre uygun modifikasyon yöntemiyle modifiye edildiği takdirde adsorpsiyon performansında önemli derecede artış gözlenebilmektedir.

Abstract:
Activated carbon is a carbon based material which has a large surface area and porous structure. In industry, it has been frequently preferred in many applications. Their main advantages are its high total surface area and internal pore volume, and different type of functional groups on the active surface. High cost of the raw material, energy consumption during production process and its apolar surface character as a result of high temperature applied restrict the use in large scales. Over the last years, studies on the production of biomass based activated carbon using various agricultural by-products have increased. Furthermore, the productions of activated carbon for different application fields by changing the surface properties using surface modification techniques become popular.
In this PhD study, the activated carbon with large surface area and pore volume was produced by using different types of raw materials. It was aimed to change the surface properties of the samples by modifying with various physical (microwave energy and conventional heat treatment) and chemical (acidic, basic and impregnation treatments) modification methods, to investigate the performances of modified samples in various applications and to determine the modification mechanisms. The characterization studies were made using the analysis methods such as, laser particle size distribution, surface area, pore size distribution, ultimate analysis, ash content, Boehm titration, FTIR, XRD, XPS, UV-Vis and SEM-EDS.
The study show that the surface properties of activated carbon are highly dependent on the type of the raw material and the modification method applied. The surface area and total pore volume are decreased with the increase of treatment time during physical modification methods. Depending on the increase in the concentration of chemical modification agent, surface area and total pore volume values were decreased and significant changes in the chemical structure of the samples were observed during chemical modification methods. Alteration of surface properties directly affects the adsorption performance so of activated carbon. Adsorption performances of the activated carbon samples can be increased if the activated carbon surface is modified by a suitable method considering to substance which will be adsorbed.