Tunçbilek linyitinden kimyasal aktivasyon yöntemi ile aktif karbon üretimi
Production of activated carbon from Tunçbilek lignite using chemical activation method
Yazar: İLKÜN ORBAK
Danışman: DOÇ. DR. REHA YAVUZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2002
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Aktif karbon = Activated carbon ; Fiziksel aktivite = Physical activity ; Kimyasal aktivasyon = Chemical activation ; Kömür = Coal ; Linyit = Lignite

Özet:
TUNÇBİLEK LİNYİTİNDEN KİMYASAL AKTİVASYON YÖNTEMİYLE AKTİF KARBON ÜRETİMİ ÖZET Aktif karbon, herhangi bir şekilde yapısal formül veya kimyasal analiz ile karakterize edilemeyen, oldukça yüksek gözenek ve iç yüzey yapışma sahip karbonlu malzeme olarak tanımlanabilmektedir. Aktif karbonların gözenek hacmi genellikle 0.2 ml/g'dan daha büyük ve iç yüzey alam ise 400 m2/g'dan (BET yöntemine göre azot gazı kullanılarak belirlenen yüzey alanı) daha yüksektir. Gözenek çapı ise 3 Â ile birkaç bin angstrom arasında değişmektedir. Aktif karbonların yüksek iç yüzey alanına sahip olması, bu malzemelerin endüstride etkin bir adsorban olarak kullanımını gündeme getirmektedir. Aktif karbon, laboratuvar ölçekli olarak çok sayıda malzemeden üretilebilmektedir. Ancak, ticari amaçlı aktif karbonlar genellikle turba, linyit, kömür, ağaç ve hindistan cevizi gibi hammaddelerin kullanılması ile üretilmektedir. Aktif karbon üretimi iki adımda gerçekleştirilmektedir: karbonizasyon ve aktivasyon. Karbonizasyon işlemi hammadde içeriğine bağlı olarak 673 - 1073 K arasındaki bir sıcaklıkta havasız ortamda gerçekleştirilmektedir. Karbonizasyon işlemi, hammaddedeki nem ve uçucu maddenin inert ortamda ısı yardımıyla uzaklaştırılmasıyla temel gözenek yapısının oluştuğu bir işlemdir. Karbonizasyon işleminde meydana gelen gözenek yapısı aktivasyon işlemi sırasında da gelişmektedir. Aktivasyon, bir oksidasyon işlemidir. Aktivasyon işlemi, üründen istenilen aktive derecesine bağlı olarak 15 dakika ile birkaç saat süre arasında değişen bir zaman diliminde gerçekleştirilmektedir. Aktivasyonun, karbon kaybına neden olmasından dolayı, ekonomik olmaktan çıktığı bir zaman dilimi vardır. Aktivasyon işlemi fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki farklı şekilde gerçekleştirilmektedir. Genellikle karbondioksit veya su buharı gibi gazlar ile fiziksel aktivasyon gerçekleştirilmektedir. Bazı durumlarda aktivasyon ve karbonizasyon adımlan fosforik asit, çinko klorit, sülfürik asit gibi kimyasal aktivasyon ajanları kullanılarak eş zamanlı olarak da yapılabilmektedir. Üretilen aktif karbonun özellikleri kullanılan hammaddeye bağlıdır. Karbonizasyon işlemindeki ısıtma hızı, sonuç sıcaklığı, aktivasyon işleminin uzunluğu üretilen aktif karbonun gözenek yarıçapını, yüzey alanım ve gözenek hacmini etkilemektedir.Aktif karbon kompleks bir üründür. Sınıflandırılması oldukça güçtür. Parçacık boyutu ve parçacık şekli göz önünde bulundurularak toz, granül, küre veya pelet aktif karbon olarak sınıflandırılabilmektedir. Aktif karbon, ticari kullanımı olan bir üründür. Suyun temizlenmesi aktif karbonun en önemli kullanım alanı olarak karşımıza çıkmaktadır. Endüstriyel ve evsel atık sulardaki organik kirlilikler, tat, koku ve renk bozukluklarının giderilmesi, şeker şurubunun renginin ağartılması, çeşitli gaz faz uygulamaları, ecza ve kimya ürünlerinin saflaştırılması işlemlerinde kullanılmaktadır. Uygun aktif karbon üretimini etkileyen, hammadde ve üretimden kaynaklanan bir çok faktör vardır. Yapılan çalışmaların temel amacı, seçilmiş olan hammaddeye çeşitli aktivasyon yöntemleri uygulanarak, büyük yüzey alanına ve hedeflenen adsorpsiyon özelliklerini gösterebilecek uygun gözenek boyut dağılımına sahip aktif karbonun üretilip üretilemeyeceğinin belirlenmesidir. Bu çalışmanın amacı, kimyasal aktivasyon yöntemi kullanılarak kömür esaslı aktif karbon üretiminin gerçekleştirilmesidir. Bu çalışmada hammadde olarak Tunçbilek linyiti seçilmiştir. Söz konusu hammadde çeşitli süreçlerden geçtikten sonra azot gazı atmosferinde aktive edilmiştir. Farklı çalışma koşullarında aktive edilen numunelerin kısa analiz sonuçlan, yüzey alam, gözenek boyut dağılımı ve yüzey fonksiyonel grupları çeşitli yöntemlerle belirlenmiştir. Sonuçta, seçilmiş olan hammaddeye azot gazı ortamında kimyasal aktivasyon uygulanması neticesinde elde edilebilecek en uygun aktif karbon üretim koşullan belirlenmiştir. xı

Abstract:
PRODUCTION OF ACTIVATED CARBON FROM TUNÇBÎLEK LIGNITE USING CHEMICAL ACTIVATION METHOD SUMMARY Activated carbon is a generic term for a family of highly porous carbonaceous materials, none of which can be characterised by chemical analysis. The volume of the pores in activated carbons is generally defined as being greater than 0.2 ml/g, and in the internal surface area is generally larger than 400 m2/g as measured by the nitrogen BET method. The width of the poresvaries from 3 Â to several thousand angstroms. Activated carbons' having enormous internal surface areas, make them effective adsorbents. Activated carbons can be prepared in the laboratory from a large number of materials, but those most commonly used in commercial practice are peat, coal, lignite, wood, and coconut shell. The manufacture of activated carbons involves two main steps: carbonization and activation. The first stage in the preparation of active carbon involves the carbonization of the raw material. This is usually conducted in the absence of air at temperatures 1073 K. During carbonization the raw material is heated under a time schedule with a certain rate of heating in order to eliminate the volaties and form a fixed carbon mass with a rudimentary pore structure. This pore structure can be developed during activation. The activation process is carried on from 15 minutes to several hours depending upon the activity desired. Since the activation process involves a loss of carbon, there is a point beyond which it is no longer economical to conduct the activation. Activation is an oxidation reaction at elevated temperatures where the oxidizing agent is usually steam and carbon dioxide and only sometimes air. Activation and carbonzation steps are sometimes carried out simultaneously using chemical activating agents such as phosphoric acid, zinc chloride, and sulfuric acid. These activating agents act as dehydrating agents as well as oxidant so that carbonization and activation take place simultaneously. The type of the activated carbon produced depends on the type of the raw material. However, the nature of the product can be varied by reconstituting the raw material or by partial carbonization and then reconstitution or by compressing the raw material during carbonization or immediatly after activation, specifically when zinc chloride is the activating agent. The rate of heating during carbonization, the final temperature, and the lenght of the activation period are some of the other factp/fcikak*' change the pore volume, surface area, and mean pore diamej^ş6«^^^(^f(^gffsî^' xiiActivated carbons are complex products which are difficult to classify on the basis of their behavior, surface characteristics, and properties. Activated carbons are therfore classified on the basis of their partical size and partical shapes into powdered, granulated, spherical, or pelleted activated carbons. Important applications relate to the use of activated carbons to render water potable by the removal of taste, colour, odour, and undesirible organic impurities, in the treatment of domestic and industrial waste water, in the removal of colour from various types of sugar syrups, in a variety of gas phase applications, and in the purification of many chemical and pharmaceutical products. The aim of this study is to investige the conditions of the production of activated carbon from the coal using the chemical activation method with N2. Raw material for the active carbon production is selected as Tunçbilek lignite. The raw material will be carbonized at different conditions and will be activated with N2 in different hold times giving different burn-off values. The micropore and total pore volumes, and pore size distributions of the activated carbon having different burn-off values will then be determined. The results would indicate if the production of the suitable activated carbon is achieved. xiu