Çeşitli polimerik temelli atıklardan yüksek yüzey alanlı aktif karbon eldesi, karakterizasyonu ve uygulama alanları

Abstract

Bu çalışmanın amacı polimer temelli atıklardan kimyasal aktivasyon yöntemi ile aktif karbon eldesidir. Mikrogözenekli adsorban olan aktif karbon ağaç, kömür, lignin, şeker ve hindistan cevizi kabuğu dahil çeşitli karbonlu materyallerden üretilir. Aktif karbonun adsorpsiyon özellikleri yüksek yüzey alanı, yüksek adsorpsiyon kapasitesi, mikrogözenekliliği ve yüzey fonksiyonel gruplarından kaynaklanmaktadır. Aktif karbon elde edilmesinde iki farklı proses kullanılmaktadır. Fiziksel aktivasyon yönteminde ham madde CO2, N2 ya da su buharı atmosferinde aktivasyona tabi tutulmaktadır. Kimyasal aktivasyon yönteminde ise hammadde bir kimyasal madde ile (ZnCl2, KOH, K2CO3, H3PO4, H2SO4 gibi ) 400-900 oC de karbonize edilmektedir. Bu çalışmada ki aktif karbonlar polimer temelli atıklardan ZnCl2 ve KOH ile impregnasyon sonucu kimyasal aktivasyon yöntemi ile elde edilmiştir. Elde edilen aktif karbonların yapı ve yüzey özellikleri BET, FTIR, XRD, TGA, DTA ve Boehm titrasyonu ile incelenmiştir. Hazırlanmış olan SK481 ve BK481 aktif karbonları ile naproxen sodyum, tannik asit, kafein adsorpsiyonu sıcaklık, zaman ve derişime bağlı olarak incelenmiştir. Adsorpsiyon denge deneysel verilerinden Langmuir ve Freundlich denklemlerine uyumları incelenerek sıcaklık ile değişimleri araştırılmıştır. Naproxen sodyum ve kafein adsorpsiyonu Langmuir izotermine uyum gösterirken, tannik asitte her iki izoterm tipine de uygunluk bulunmuştur. Adsorpsiyon kinetik deneyleri için 25, 37 ve 50 oC sıcaklıklarda adsorpsiyon çalışmaları yapılmıştır. Kinetik verilerin yalancı-birinci mertebe, yalancı-ikinci mertebe, partikül içi difüzyon modellerine uygulanması ile adsorpsiyon hız sabiti ve aktivasyon enerjisi tespit edilmiştir. Sonuçlar SK481 ve BK481 örneklerinin tannik asit, kafein ve naproxen sodyum adsorpsiyonunun yalancı ikinci mertebeden reaksiyona göre ilerlediğini göstermektedir. SK481 ve BK481 aktif karbonları ile naproxen sodyum, tannik asit ve kafeinin kütle transferi ve difüzyon çalışmaları da yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda adsorpsiyon işlemlerinde hem film difüzyonu hem de molekül içi difüzyonun etkili olduğu görülmüştür. Adsorpsiyon çalışmalarında sıcaklığa bağlı olarak adsorpsiyon termodinamiği incelenmiştir. Termodinamik veriler bütün adsorpsiyon işlemlerinin kendiliğinden yürüdüğünü göstermektedir. ANAHTAR KELİMELER: Aktif Karbon, Kimyasal aktivasyon, Yüzey alanı, Gözenek yapısı, Adsorpsiyon izotermi, Kütle transferi, Fiziksel adsorpsiyon.

The aim of this study is the preparation of activated carbons from polymeric wastes by chemical activation . Activated carbon is a microporous adsorbent that can be produced from a various carbonaceous materials, including wood, coal, lignin, coconut shells, and sugar. The adsorption properties of the activated carbon result from its high surface area, high adsorption capacity, micropores, and broad range of surface functional groups. Two different process are used for the preparation of activated carbon. Raw material have been activated CO2, N2 or water vapour at 700-1100 oC in the physical activation method. Chemical activation consist of carbonization at 400-900 oC in the presence of a chemical agent (e.g. ZnCl2, KOH, K2CO3, H3PO4 or H2SO4). In this study, activated carbons have been prepared with the impregnation by ZnCl2 or KOH from polymeric wastes by chemical activation. The structural and surface properties of prepared activated carbons have been determined by BET, FTIR, XRD, DTA, TGA and Boehm titration. The adsorption performances of the activated carbons (SK481 and BK481) were investigated using naproxen sodium, tannic acid, caffeine. The effects of the contact time, the temperature, the amount of naproxen sodium, tannic acid and caffeine were also investigated. The adsorption data of naproxen sodium and caffeine adsorption isotherm better fit Langmuir than Freundlich model, tannic acid adsorption isotherm better fit both Langmuir and Freundlich models. Kinetic experiments have been carried out at temperatures of 25, 37 and 50 oC. Adsorption rate constant, and activation energy have been determined by pseudo first, pseudo second order rate equation. Results show that the adsorption of naproxen sodium, tannic acid, caffeine from aqueous solution onto SK481 and BK481 proceeds according to the pseudo second order reaction. External mass transfer coefficient, film and pore diffusion coefficient have been determined for the adsorption of naproxen sodium, tannic acid, caffeine onto BK481 and SK481. These studies show that adsorption connected not only film diffusion but also with intraparticule diffusion. Thermodynamics of the adsorption systems have been determined as function of temperatures. The results indicate that naproxen sodium, tannic acid and caffeine adsorption processes are spontaneous. KEY WORDS: Activated carbon, Chemical activation, Surface area, Pore structure Adsorption isotherm, Mass transfer, Physical adsorption.