Farklı biyokütlelerden karbondioksit kullanılarak karbon moleküler elek özelliğinde aktif karbon üretimi ve uygulamaları

Abstract

Bu çalışmanın amacı, fiziksel aktivasyon yöntemi ile üç farklı biyokütleden karbon moleküler elek özelliğine sahip aktif karbon sentezlemek ve bu aktif karbonların adsorpsiyon özelliklerinin incelemektir. Bu çalışmada kullanılan biyokütleler ceviz kabuğu, antep fıstığı kabuğu ve şeftali çekirdeği kabuğu olup deneylerde işletmelerden alındığı şekli ile hiç bir ön işlem görmeden kulalnılmıştır. Biyokütleler önce 300-1000oC sıcaklık aralığında (100oC artışlarla) azot gaz akış hızı 100, 300 ve 500 ml/dak alınmış olup ısıtma hızı 10oC/dak. olarak alınmış ve karbonize edilmiştir. Tüm deneylerde numune maksimum sıcaklıkta 1 ssat süre ile bekletilmiştir. Karbonizasyon işleminde katı (char), sıvı ve gaz verimleri hesaplanmıştır. Yapılan değerlendirmede sıcaklık arttıkça katı verimi azalırken sıvı ve özellikle gaz verimi artmaktadır. Karbonize örnekler doğrudan alınarak (öğütme vb işlem yapmadan) 800 ve 900oC sıcaklıklarda karbondiaksit gazı kulalnılarak (100 ml/dak) fiziksel aktivasyon işelmine tabi tutulmuştur. Aktivasyonda ısıtma hızı 10oC/dak sabit alınmış olup maksimum sıcaklıkta 1 saat süre ile aktivasyon yapılmıştır. Gerek karbonizasyon gerekse aktivasyon işleminde oda sıcaklığına soğutulan numuneler fırından çıkartılmış ve deneylerde kullanılmıştır. Karbonizasyon işlemi sırasında kulanılabilir gözenek oluşnmadığı için tutarlı yüzey alanı değerleri elde edilememiştir. Karbonizasyonda genellikle yapı içerisindeki küçük birimler gaz ve/veya sıvı ürün olarak yapıdan ayrılmakta ve kısmi yapı düzenlenmesi sözk konusudur. Karbonizasyonda amaç işlem sonucu elde edilen sıvı ve gaz ürünlerin başta yakıt olarak ve endütriyel amaçlı kullanımıdır. Fiziksel aktivasyon sonucu en yüksek yüzey alanı antep fıstığı kabuğundan elde edilmiştir. Bu yüzey alanı antep fıstığı kabuğunun 600°C 100 ml/dk N2 karbonizasyonu ve 800°C 100 ml/dk CO2 aktivasyonuyla gerçekleştirilmiştir. Bu aktif karbonun yüzey alanı 857,13 m2/g olarak ölçülmüştür.Şeftali çekirdeği kabuğundaki en yüksek alan ise 500°C 100 ml/dk N2 karbonizasyon, 800°C 100 ml/dk CO2 ile yapılmıştır. Bu aktif karbonun yüzey alanı ise 686,74 olarak bulunmuştur.Ceviz kabuğundaki en yüksek yüzey alanı ise 800°C 100 ml/dk N2 karbonizasyonu ve 900°C 100 ml/dk CO2 aktivasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Bu aktif karbonun yüzey alanı ise 720,41 m2/g olarak ölçülmüştür. Sentezlenen aktif karbonların adsorpsiyon kapasiteleri metilen mavisi kullanılarak hesaplandı. Ayrıca AFK8 ve CK11 kodlu numuneler için 3 farklı sıcaklıkta kinetik çalışma gerçekleştirilmiş olup bunların adsorpsiyon kinetiklerine bakılmıştır. Bu kinetik çalışmalara sonucu adsorpsiyonun yalancı 2.derece kinetik denklemine uyduğu görülmüş ve hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca bu numunelerin partikül içi difüzyon grafikleri çizilerek sınır tabaka kalınlığı hesaplanmıştır. Sentezlenen örneklerin mikroyapı ve morfolojileri x-ray difraksiyon (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve Fourier Transform İnfrared Spektrofotometresi (FTIR) ile çalışıldı. Elde edilen aktif karbonların yüzey alanları Bruneur – Emmet – Teller (BET) yöntemiyle hesaplandı. Density functional theory Plus (DFT Plus) gözenek dağılımları gözlemlendi.

The aim of this study is to synthesize activated carbon having carbon molecular sieve from the three different biomass by physical activation method, and to investigate the adsorption properties of these activated carbons. The biomasses used in this study were walnut shell, pistachio shell and peach seed shell and were used without any pretreatment. Biomasses were first carbonized at a temperature range of 300-1000 oC (in 100oC increments) with a nitrogen gas flow rate of 100, 300 and 500 ml / min and a heating rate of 10oC / min. The sample was kept at maximum temperature for 1 h in all experiments. In solid (char), liquid and gas yields were calculated the carbonization process, As the temperature increases, the solid yield decreases while the liquid and especially the gas yield increases in the evaluation. Carbonized samples were taken directly (without processing, grinding, etc.) at a temperature of 800 and 900 °C using carbon dioxide (100 ml / min) physical activation process. The heating rate in the activation was fixed at 10 °C / min and activated at maximum temperature for 1 hour. In both the carbonization and activation process, the samples removed from the furnace were used in the experiments by cooling to room temperature. Consistent surface area values could not be obtained due to the lack of usable pore during the carbonization process. In carbonization, small units in the structure are separated from the structure as a gas and / or liquid product and partial structure is regulated. The purpose of carbonization is the use of liquid and gas products obtained as a result of the process, primarily as fuel and for industrial purposes. As a result of physical activation, the highest surface area was obtained from pistachio shell. This surface area was carried out at 600 oC, 100 ml / min N2 carbonization and 100 ml / min CO2 activation at 800 °C of pistachio shell. The surface area of this activated carbon was measured as 857.13 m2 / g. The highest area of the peach seed shell was determined at 500 °C 100 ml / min N2 carbonization, 800 ° C 100 ml / min CO2. The surface area of this activated carbon was found to be 686.74 m2 / g. The highest surface area of the walnut shell was at 800 °C, 100 ml / min N2 carbonization and 900 °C 100 ml / min CO2 activation. The surface area of this activated carbon is 720.41 m2 / g. Adsorption capacities of synthesized activated carbons were calculated using methylene blue. In addition, kinetic studies were performed at 3 different temperatures for samples with AFK8 and CK11 samples and their adsorption kinetics were examined. As a result of these kinetic studies, it was observed that the adsorption was consistent with the pseudo 2nd order kinetic equation and calculations were made. In addition, particle diffusion graphs of these samples were drawn and boundary layer thickness was calculated. The microstructure and morphologies of the synthesized samples were studied by x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectrophotometer (FTIR). The surface areas of the activated carbons were calculated by Bruneur - Emmet - Teller (BET) method. Density functional theory Plus (DFT Plus) pore distributions were observed.