Biyokütle atıklardan aktif karbon üretimi
Production of activated carbon from biomass wastes
Yazar: MERYEM OZMAK
Danışman: PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aktif karbon = Activated carbon ; Biyokütle = Biomass ; Fosforik asit = Phosphoric acid ; Kimyasal aktivasyon = Chemical activation ; Mikrodalga enerjisi = Microwave energy ; Çay atıkları = Tea wastes

Özet:
Endüstrinin birçok alanı için vazgeçilmez olan aktif karbon, özellikle adsorpsiyon proseslerinde, su filtrelerinde, gaz maskelerinde ve savunma sanayindeki kullanımından dolayı stratejik öneme sahiptir. Ancak hammadde maliyeti ve üretim proseslerinin yüksek enerji tüketimi, aktif karbon üretim maliyetini oldukça artırmaktadır.Bu doktora çalışmasında, çay fabrikalarının temel atık maddesi olarak büyük miktarlarda biriken çay atıkları aktif karbon hammaddesi olarak değerlendirilmiştir ve yüksek yüzey alanına (>1000 m2/g) sahip gözenekli karbon adsorbentlerin ekonomik olarak üretilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla, alışılagelmiş yöntemlere alternatif olarak, mikrodalga önişlemi içeren bir aktivasyon yöntemi önerilmiştir. Çay atığının gözenek yapısını geliştirmek amacıyla fosforik asit ile kimyasal aktivasyon uygulanmıştır. Belirli oranlarda hazırlanan çay atığı-fosforik asit karışımı bekletilmeksizin mikrodalga önişlemine tabi tutulmuştur ve ardından karbonizasyon yapılmıştır. Bu yöntemde, mikrodalga etkileşiminden dolayı, kimyasal aktivasyon süresinin azaltılması ve karbonizasyon etkinliğinin artırılması mümkündür. Böylece enerji ve zaman tasarrufu sağlanmakta ve prosesin ticari potansiyeli arttırılabilmektedir.Çalışmada, önerilen aktivasyon yönteminin etkinliğini belirlemek amacıyla, konvansiyonel yöntem ile karşılaştırma yapılmıştır. Kimyasal aktivasyon, mikrodalga etkileşimi ve karbonizasyon aşamalarında etkili olan parametreler incelenerek en uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. Elde edilen ürünlerin karakterizasyonu için elementel analiz, yapısal ve morfolojik analizler (FTIR, SEM), yüzey alanı ve gözenek boyut dağılımı analizleri gerçekleştirilmiştir. Çay atıklarından aktif karbon üretimi için önerilen aktivasyon yöntemi, kullanılmış (evsel) çay atıkları, badem kabuğu ve pirinç kabuğu gibi farklı yapıdaki biyokütle örnekleri için de uygulanmıştır. Oldukça olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Çay atığından en uygun proses koşullarında üretilen aktif karbonun adsorpsiyon kapasitesini belirlemek amacıyla metilen mavisi ve fenol adsorpsiyonu incelenmiştir. Yüksek yüzey alanı ve mezogözenek içeriğinden dolayı, sularda kirliliğe neden olan organik maddelerin gideriminde adsorbent olarak kullanılabileceği saptanmıştır. Böylece çay atıklarının aktif karbon üretiminde hammadde olarak değerlendirilebileceği ve mikrodalga önişlemi ile gerçekleştirilen aktivasyon yönteminin biyokütleden aktif karbon üretimi için etkili olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Activated carbon is indispensable for many fields of industry, especially owing to its use in the adsorption processes, the water filters, gas masks and defence industry which has a strategic importance. However, high cost of raw materials and energy consumption of its production processes substantially increase the cost of activated carbon production.In this doctoral study, waste tea that is collected in large amounts as the basic waste of tea factories is used as a raw material in activated carbon preparation. The objective of the study is economic production of porous carbon adsorbents with high surface area (> 1000 m2/g). For this purpose, as an alternative to conventional methods, an activation method with microwave pre-treatment has been proposed. In order to develop the pore structure of the waste tea, chemical activation with phosphoric acid is applied. A mixture of the waste tea and phosphoric acid, which is prepared with specific proportions, has been subjected to microwave treatment, and then carbonised. In this method, due to the microwave interactions it is possible to shorten the duration of the chemical activation and to increase the efficiency of the carbonisation process. Thus, energy and time savings may be achieved, and the commercial viability of the process can be increased.In this research, comparison is made with conventional methods to determine the effectiveness of the proposed method. Parameters of the chemical activation process, microwave treatment and carbonisation stages are examined and the most appropriate working conditions are determined. Elemental analysis, structural and morphological analyses (FTIR, SEM), surface area and pore size distribution analyses are carried out for characterisation of the resulting products. The proposed activation method for production of activated carbon from the waste tea is also applied to different raw materials, such as used (domestic) waste tea, almond shells and rice husk. Promising results are obtained. In order to determine the adsorption capacity of the activated carbon produced from waste tea at optimum processing conditions, methylene blue and phenol adsorption are investigated. It is identified that, due to the high surface area and mesopore volume, it may be used as an adsorbent to remove organic substances that cause water pollution. As a result, waste tea can be evaluated as a raw material in the production of activated carbon. The activation process performed with microwave pre-treatment is concluded to be effective for the production of activated carbon from biomass.