Karbon siyahının fiziksel ve kimyasal aktivasyon ile gözenekli karbon yapılara dönüşüm performansının incelenmesi
Investigation of the conversion performance of carbon black into porous carbon structures by physical and chemical activation
Yazar: NERMİN NUR FUÇUCU
Danışman: PROF. DR. AYSEL KANTÜRK FİGEN ; PROF. DR. ADNAN MİDİLLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Endüstriyelleşmenin günlük hayatta yaşam standartlarını kolaylaştırmasına karşılık beraberinde getirdiği atık problemi gün geçtikçe göz ardı edilemeyecek kadar ciddileşmektedir. Aktif karbon kullanımı ile atık bertarafı günümüzde teorik çalışmaların ötesine geçmiş ve ticari amaçla farklı sektörlerde kullanılan bir malzeme haline gelmiştir. Farklı aktivasyon süreçleri ile elde edilen yüksek gözenekli bu yapılar günümüzde başta atık su kirleticilerinin giderimi olmak üzere sıklıkla kullanılan ve oldukça ekonomik bir malzeme grubudur. Aktif karbon üretiminde yapısındaki karbon miktarının fazla olması nedeniyle odunsu yapıya sahip ve uçucu madde oranı düşük olan biyokütleler aktif karbon üretiminde sıklıkla tercih edilen malzemeler arasındadır.
Bu çalışmada, ticari çay atıklarının bertaraf işlemi sırasında ısıl işlem görmesi ile elde edilen karbon siyahı, karbonca zengin içeriği nedeniyle aktif karbona üretim prosesi için hammadde olarak seçilmiştir. Kimyasal ve fiziksel aktivasyon temelli beş farklı yöntem ile aktif karbon üretimi yapılmış ve aktifleştirme ajanı olarak KOH ve CO2 kullanılmıştır. Elde edilen aktif karbonların adsorpsiyon performansları diazo boyalar grubunda yer alan, yüksek renk stabilitesine sahip ve kansorejen bir reaktif olan Everzol Black kirleticisini içeren sentetik atık su kullanılarak incelenmiştir. Ultrasonik temelli kimyasal aktivasyon (1/4 ağ:ağ numune/KOH, 800°C, saat, 10 ml/dk N2) ile sentezlenen aktif karbonun, Everzol Black kirleticisini %73 (45°C, pH:5, 100 ppm, 10 adsorban mg/mL, 500 rpm) oranında giderdiği tespit edilmiş ve adsorpsiyon kapasitesi (qe) 7,3 mg/g olarak hesaplanmıştır. Gerçekleşen adsorpsiyon reaksiyonları Langmuir izotermi ile uygunluk göstermekte (R2=0,937) ve ikinci dereceden yalancı Pseudo denklemine uymaktadır (R2=0,994). Kimyasal adsorpsiyonun gerçekleştiği reaksiyonlar endotermik ve kendiliğinde gerçekleşmektedir. Deneylerde kullanılan ultrasonik temelli kimyasal aktivasyon ile üretilen aktif karbon BET yüzey alanı 657 m2/g olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Despite the fact that industrialization facilitates living standards in daily life, the waste problem that it brings with it is becoming too serious to ignore day by day.  Waste disposal with the use of activated carbon has gone beyond theoretical studies today and has become a material used in different sectors for commercial purposes. These highly porous structures obtained by different activation processes are a highly economical group of materials that are often used today, especially for the removal of wastewater pollutants. In the production of activated carbon; biomass, which has a woody structure and a low volatile substance ratio due to the high amount of carbon in its structure, is often among the preferred materials in the production of activated carbons.
In this study, the carbon black obtained by heat treatment of commercial tea wastes during the disposal process was selected as the raw material for the activated carbon production process due to its carbon-rich content. Activated carbon was produced by five different methods based on chemical and physical activation, and KOH and CO2 were used as activation agents. The adsorption performance of the obtained activated carbons was studied using synthetic wastewater containing the Everzol Black pollutant, which is a high color stability and carcinogenic reagent in the diazo dyes group. Activated carbon synthesized by ultrasonic based chemical activation (1/4 w:w sample/KOH, 800°C, 1 hour, 10 ml/min N2) was found to remove Everzol Black pollutant at a rate of 73% (45°C, pH:5, 100 ppm, 10 adsorbent mg/mL, 500 rpm) and the adsorption capacity (qe) was calculated as 7,30 mg/g. The adsorption reactions that take place are compatible with the Langmuir isotherm (R2=0,937) and comply with the secondary Pseudo equation (R2=0,994). The reactions in which chemical adsorption takes place are endothermic and spontaneous. The surface area of the activated carbon BET produced by ultrasonic-based chemical activation used in the experiments was calculated as 657 m2/g.