POLİANİLİN/AKTİF KARBON KOMPOZİT MADDESİNİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE İLETKEN FİLM YAPIMI

Transkript

1 T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI POLİANİLİN/AKTİF KARBON KOMPOZİT MADDESİNİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE İLETKEN FİLM YAPIMI YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ ARALIK 2008

2 T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI POLİANİLİN/AKTİF KARBON KOMPOZİT MADDESİNİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE İLETKEN FİLM YAPIMI YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ Aralık

3 Aralık T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI POLİANİLİN/AKTİF KARBON KOMPOZİT MADDESİNİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE İLETKEN FİLM YAPIMI YÜKSEK LİSANS TEZİ Kod No: Bu Tez 01/12/2008 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oy Birliği ile Kabul Edilmiştir Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ZENGİN Doç. Dr. Mükerrem KURTOĞLU Doç. Dr. Ömer SÖĞÜT DANIŞMAN ÜYE ÜYE Yukarıdaki imzaların adı geçen öğretim üyelerine ait olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Süleyman TOLUN Enstitü Müdürü Proje No: Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

4 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER... ÖZET... ABSTRACT... ÖNSÖZ... ÇİZELGELER DİZİNİ... ŞEKİLLER DİZİNİ... SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ... SAYFA 1. GİRİŞ Çalışmanın Kapsam ve İçeriği Polimer, Dolgu Maddeleri ve Kompozitler Aktif Karbon Aktif Karbon Üretimi İçin Aktivasyon Teknikleri Aktif Karbonun Kullanım Alanları Adsorpsiyon Freundlich Denklemi Langmuir Denklemi Adsorbentin Özel Yüzey Alanının Tayini Adsorpsiyon Mekanizmaları Fiziksel Adsropsiyon (van der Waals Adsorpsiyonu) Kimyasal Adsorpsiyon (Kemisorpsiyon) İyonik Adsorpsiyon Elektrostatik Adsorpsiyon Adsorpsiyonu Etkileyen Faktörler Spektroskopi (Absorbans, Fotolüminesans) İçin Temel Bilgiler ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Konjuge Polimerler (İletken Polimerler) Kendiliğinden İletken Polimerler (KİP) Polianilin (PANI) Kimyasal Yapılar ve Özellikler İletken Polimerlerin Yapısal Özellikleri İletken Polimerlerin Uygulama Alanları Yarı-iletkenler Kompozit Maddeler MATERYAL VE METOT Materyal Araştırmada Kullanılan Bazı Cihazların Özellik ve Önemleri Aktif Karbon Partiküllerinin Fiziksel Özelliklerinin İncelenmesi Adsorpsiyon Deneyinin Yapılışı I III IV V VI VII XI I

5 İÇİNDEKİLER 3.5. Anilinin In-Situ Polimerizasyonu ve PANI/AK Kompozitlerinin Ex-Situ Hazırlanması PANI ve PANI/AK Filmlerin Hazırlanışı Film Örneklerinin Dope Edilmesi İletkenlik Ölçümü Ultraviolet-Visible Spektrofotometre (UV-Vis) Fotoluminesans Spektrometre (FL) Fourier Transform Infrared Spektroskopi (FT-IR) Mikroskop BULGULAR VE TARTIŞMA Aktif Karbon Partiküllerinin Fiziksel Özelliklerinin Deneysel Gözlem Sonuçları Aktif Karbon Partikülleri Üzerine Asit ve Bazların Adsorpsiyon Çalışması Sonike Olmamış ve Sonike Olmuş Aktif Karbon Partikülleri Üzerine Temas Süresinin Etkisi Sonike Olmamış ve Sonike Olmuş Aktif Karbon Partiküllerinin Freundlich Adsorpsiyon İzotermleri Üzerine Sonike İşleminin Etkisi Langmuir Adsorpsiyon İzotermleri Üzerine Sonike İşleminin Etkisi Yüzey Alanı Üzerine Sonike İşleminin Etkisi Sonike Olmuş Aktif Karbon Partikülleri Üzerine Değişik Asit ve Bazların Freundlich Adsorpsiyonunda Sıcaklığın Etkisi Sonike Olmuş Aktif Karbon Partikülleri Üzerine Değişik Asit ve Bazların Langmuir Adsorpsiyonunda Sıcaklığın Etkisi Asorpsiyon Deneyinde Kullanılan Aktif Karbon Partiküllerinin Morfolojik İcelenmesi Sentez ve Kimyasal Yapılar Anilinin In-Situ Polimerizasyonu ve PANI/AK Kompozitlerinin Ex-Situ Hazırlanması İletkenlik Ölçümü Ultraviolet-Visible Spektrofotometre (UV-Vis) Ölçümleri Fotoluminesans Spektrometre (FL) Ölçümleri Fourier Transform Infrared Spektroskopi (FT-IR) Ölçümleri Mikroskop ve PANI/AK Kompozit Filmleri Morfolojik Çalışmalar PANI/AK Kompozit Filmleri Yan-Kesit (Cross-section) Çalışmaları SONUÇ VE ÖNERİLER. 101 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ II

6 ÖZET T.C. KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA BÖLÜMÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ ÖZET POLİANİLİN/AKTİF KARBON KOMPOZİT MADDESİNİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU ÖZET VE İLETKEN FİLM YAPIMI Danışman: Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ZENGİN Yıl: 2008, Sayfa: Jüri : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ZENGİN Doç. Dr. Mükerrem KURTOĞLU Doç. Dr. Ömer SÖĞÜT Bu çalışmada asit ve bazların aktif karbon partikülleri yüzeyindeki adsorpsiyonları çalışılmış ve bazı termodinamik parametreler değerlendirilmiştir. Adsorpsiyon sonuçlarına göre aktif karbon partiküllerinin yüzeyinin asitlere karşı daha istekli bir etkileşime sahip oldukları ve en fazla madde adsorpsiyonunun CH 3 COOH ile oluştuğu bulunmuştur. Bu çalışmanın ikinci aşamasında ise kendiliğinden iletken olan polimer polianilinin sentezini, optimize olmuş proses koşullarını kullanarak polianilin/aktif karbon (PANI/AK) kompozitleri in-situ polimerizasyon ve ex-situ çözelti karışımı yöntemleriyle üretilmiştir. PANI/AK kompozit filmleri damlatma ve döndürerek-kaplama metodlarıyla hazırlanmıştır. HCl asit ile doyurulmuş PANI film ve PANI/AK kompozit filmlerin elektriksel iletkenliği ölçülmüştür. Kompozit filmlerin elektriksel iletkenliğinin saf polianilinin elektriksel iletkenliğine göre daha fazla olduğu gözlenmiştir. PANI ve PANI/AK kompozitlerinin karakterizasyonu UV-Vis, FT-IR ve FL gibi spektroskopik yöntemlerle ayrıca incelenmiştir. Aktif karbon partikülleri eklenmesiyle aktif karbon partiküllerininin klor iyonlarıyla yarışmada olduğu PANI/AK kompozitlerinin iletkenliklerindeki artışın kısmen karbon partiküllerinin doyurma veya safsızlık etkisiyle olduğu anlaşılmıştır. Partiküllerin ve filmlerin morfolojileri bir taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. SEM ölçümleri, karbon partiküllerin kompozit film içinde homojen olarak dağıldığını ve iyi izole olduklarını göstermiştir. Anahtar kelimeler: Polianilin, Aktif karbon, İletken polimer kompozit, Adsorpsiyon, Morfoloji III

7 ABSTRACT T.C. UNIVERSITY OF KAHRAMANMARAS SUTCU IMAM INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF CHEMISTRY MSc THESIS ABSTRACT SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF POLYANILINE/ACTIVATED CARBON COMPOZITES AND PREPARATION OF CONDUCTIVE FILMS Supervisor: Assist. Prof. Dr. Hüseyin ZENGİN Year : 2008, Page : Committee : Assist. Prof. Dr. Hüseyin ZENGİN Assoc. Prof. Dr. Mükerrem KURTOĞLU Assoc. Prof. Dr. Ömer SÖĞÜT In this study, the adsorptions of acids and bases on the surface of activated carbon particles were studied and some thermodynamic parameters were evaluated. According to the adsorption results, the activated carbon surfaces possessed more effective interactions with acids and the most adsorption capacity was found out with CH 3 COOH. The second part of this study aimed to synthesize the inherently conductive polymer polyaniline using an optimized process to prepare polyaniline/ activated carbon (PANI/AC) composites by in-situ polymerization and ex-situ solution mixing. PANI/AC composite films were prepared by drop by drop and spin coating methods. The electrical conductivities of hydrochloride acid doped PANI film and PANI/AC composite films were measured. The composite films exhibited increase in electrical conductivity over neat PANI. PANI and PANI/AC composites were also investigated by spectroscopic methods including UV-Vis, FT-IR and PL. The increase of conductivity of PANI/AC composite may be partially due to the doping or impurity effect of activated carbon particles where the activated carbon particles compete with chloride ions. The morphology of particles and films were examined by a scanning electron microscope (SEM). SEM measurements indicated that the activated carbon particles were well dispersed and isolated in composite films. Keywords: Polyaniline, Activated carbon, Conducting polymer composite, Adsorption, Morphology IV

8 ÖNSÖZ ÖNSÖZ Tez konusunun belirlenmesi, çalışmanın yürütülmesi ve yazım aşamasında beni yönlendiren ve yardımlarını esirgemeyen danışman hocam sayın Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ZENGİN e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Master eğitimim ve tez çalışmalarıma yapmış olduğu katkı ve yardımlar için değerli hocam Öğr. Gör. Dr. Gülay ZENGİN e ayrıca teşekkür ederim. Tezimin değerlendirilmesi için yapmış olduğu katkı ve yardımlardan dolayı jüri üyelerim olan Doç. Dr. Mükerrem KURTOĞLU ve Doç. Dr. Ömer SÖĞÜT e teşekkür ederim. Master eğitimim boyunca laboratuar ortamını paylaştığım ve her zaman yardımlarını benden esirgemeyen sevgili çalışma arkadaşım Belgin ERKAN a, bazı deney düzeneklerinin kurulması ve yürütülmesinde emeği geçen Gani Yusuf NARLIOĞLU na ve yine bazı deneylerin sürdürülmesi ve gerçekleştirilmesinde yardımcı olan grubumuz lisans öğrencilerine ayrı ayrı teşekkür ederim. Çalışmamda TÜBİTAK (Proje No: 104M367) ve K.S.Ü. (Proje No: 2004/5-1) tarafından sağlanan madde, malzeme ve cihazların kullanılması ve laboratuar çalışma ortamı imkanı sağlaması nedeniyle maddi destek sağlamış olan bu her iki değerli kurumumuza da teşekkürü bir borç bilirim. Son olarak, çalışmamda maddi ve manevi desteğini esirgemeyen saygıdeğer annem Sabiha KALAYCI, babam Ejder KALAYCI, sevgili kardeşim Ökkeş KALAYCI ve ablam Gülhanım GÜVENEN e sonsuz teşekkür ederim. Aralık 2008, KAHRAMANMARAŞ Güllü KALAYCI V

9 ÇİZELGELER DİZİNİ ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Elektromagnetik spektrumda görünür bölgedeki dalga aralıkları ve karşılık gelen renkler. 19 Çizelge 1.2. Elektromagnetik radyasyon bölgesi moleküler geçiş türleri 20 Çizelge 2.1. Bazı önemli iletken polimerlerin genel özellikleri Çizelge 2.2. Birkaç konjuge (iletken) polimerlerin genel kısaltmalarını da içeren tekrar eden birimlerinin kimyasal yapıları.. 24 Çizelge 3.1. Deney verilerinin düzenlenmesine örnek olarak sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH adsorpsiyonunda sonike işleminin etkisinin belirlenmesi için yapılan deney sonuçları Çizelge 4.1. Aktif karbon partiküllerinin fiziksel özelliklerinin deneysel gözlem sonuçları.. 41 Çizelge 4.2. Sonike olmamış ve sonike olmuş AK partikülleri üzerinde değişik CH 3 COOH, HCI, NH 4 OH ve NaOH adsorbantlarının 25 o C deki Freundlich adsorpsiyon izotermleri verilerinin toplam sonuçları Çizelge 4.3. Sonike olmamış ve sonike olmuş AK partikülleri üzerinde CH 3 COOH, HCI, NH 4 OH ve NaOH adsorbantlarının 25 C deki Langmuir adsorpsiyon izotermleri verilerinin toplam sonuçları. 57 Çizelge 4.4. Sonike olmuş AK partikülleri üzerinde CH 3 COOH, HCI, NH 4 OH ve NaOH adsorbantlaranın değişik sıcaklıklardaki Freundlich adsorpsiyon izotermi parametrelerinin toplam sonuçları. 66 Çizelge 4.5. Sonike olmuş AK partikülleri üzerinde CH 3 COOH, HCI, NH 4 OH ve NaOH adsorbantlaranın değişik sıcaklıklardaki Langmuir adsorpsiyon izotermi parametrelerinin ve spesifik yüzey alanlarının toplam sonuçları Çizelge 4.6. İletkenlik ölçümü sonuçlarının ve film kalınlıklarının toplu sonuçları.. 79 VI

10 ŞEKİLLER DİZİNİ ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Aktif karbon modelinin şematik gösterimi. 6 Şekil 2.1. Polianilinin genel kimyasal yapısı Şekil 2.2. Polianilinin çeşitli formları, EB, ES, LEB ve PN, ve bunların birbirine dönüşümleri Şekil 4.1. Sonike olmamış AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren NaOH adsorpsiyon izotermi. 44 Şekil 4.2. Sonike olmamış AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren NH 4 OH adsorpsiyon izotermi Şekil 4.3. Sonike olmamış AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren HCl adsorpsiyon izotermi. 45 Şekil 4.4. Sonike olmamış AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren CH 3 COOH adsorpsiyon izotermi Şekil 4.5. Sonike olmuş AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren NaOH adsorpsiyon izotermi. 46 Şekil 4.6. Sonike olmuş AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren NH 4 OH adsorpsiyon izotermi Şekil 4.7. Sonike olmuş AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren HCl adsorpsiyon izotermi. 47 Şekil 4.8. Sonike olmuş AK partikülleri üzerine temas süresinin etkisini gösteren CH 3 COOH adsorpsiyon izotermi Şekil 4.9. Sonike olmamış ve sonike olmuş AK partikülleri üzerine temas süresinin etkilerini gösteren farklı asit ve bazların adsorpsiyon izotermleri Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine NaOH Freundlich adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine sonike işleminin etkisini gösteren NaOH adsorpsiyon Freundlich izotermi. 50 Şekil Sonike olmamış ve sonike olmuş AK partikülleri üzerine sonike işleminin etkilerini gösteren farklı asit ve bazların Freundlich adsorpsiyon izotermleri Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine NaOH Freundlich adsorpsiyon eğim grafiği. 51 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NaOH Freundlich adsorpsiyon eğim grafiği.. 51 Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine NaOH Langmuir adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine NH 4 OH Langmuir adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine CH 3 COOH Langmuir adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine HCl Langmuir adsorpsiyon izotermi.. 54 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine sonike işleminin etkisini gösteren NaOH Langmuir adsorpsiyon izotermi.. 55 VII

11 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine sonike işleminin etkisini gösteren NH 4 OH Langmuir adsorpsiyon izotermi 55 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine sonike işleminin etkisini gösteren CH 3 COOH Langmuir adsorpsiyon izotermi.. 56 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine sonike işleminin etkisini gösteren HCl Langmuir adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine NaOH 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 58 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NaOH 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 58 Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine NH 4 OH 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 59 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NH 4 OH 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 59 Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine CH 3 COOH 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 60 Şekil Sonike olmamış AK partikülleri üzerine HCl 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 61 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine HCl 25 o C derecedeki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 61 Şekil Sonike olmamış ve sonike olmuş AK partikülleri üzerinde değişik CH 3 COOH, HCl, NH 4 OH ve NaOH adsorbantlaranın 25 o C derecedeki adsorpsiyonuna göre özel yüzey alanlarının değişimi 62 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NaOH değişik sıcaklıklardaki Freundlich adsorpsiyon izotermleri 63 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NH 4 OH değişik sıcaklıklardaki Freundlich adsorpsiyon izotermleri 63 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH değişik sıcaklıklardaki Freundlich adsorpsiyon izotermleri 64 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine HCl değişik sıcaklıklardaki Freundlich adsorpsiyon izotermleri 64 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NaOH 10 o C sıcaklıktaki Freundlich adsorpsiyon izotermi. 65 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine NaOH 10 o C sıcaklıktaki Freundlich adsorpsiyon izotermi doğrusu grafiği.. 65 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH 10 o C deki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 67 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH 25 o C deki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 67 Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH 45 o C deki Langmuir adsorpsiyon izotermi Şekil Sonike olmuş AK partikülleri üzerine CH 3 COOH 65 o C deki Langmuir adsorpsiyon izotermi. 68 VIII

12 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin özel yüzey alanlarının değişik adsorbantlar kullanılmasıyla farklı sıcaklıklara göre değişim değerlerini gösteren eğriler. 69 Şekil Sonike olmamış AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmamış AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmamış AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmamış AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmamış AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmamış AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Sonike olmuş AK partiküllerinin SEM mikrografı Şekil Polianilinin yükseltgenme basamakları: tamamıyla indirgenmiş, leukomeraldin baz (LEB); kısmen yükseltgenmiş, emeraldin baz (EB); ve tamamıyla yükseltgenmiş, pernigranilin baz (PN) Şekil Anilinin polimerizasyonu ve emeraldine tuz (ES) ve emeraldine baz (EB) oluşması (a); ve in-situ polimerizasyon ve önerilen kompozit etkileşimi (b) Şekil PANI ve PANI/AK (ağırlıkça %1, 3, 5, 10, 20, 30 AK) kompozit filmlerin iletkenlikleri Şekil PANI ve PANI/AK (ağırlıkça %1, 3, 5, 10, 20, 30 AK) kompozit filmlerin öz dirençleri 80 Şekil PANI emeraldine baz (EB) ve PANI/AK kompozitlerinin etkileşmesinden sonraki UV-Vis spektrumları Şekil PANI polimerinin NMP içindeki fotoluminesans spektrumları. 83 Şekil PANI ve PANI/AK kompozitlerinin NMP içindeki fotoluminesans spektrumları.. 84 Şekil Polianilinin ES ve EB formlarının FT-IR spektrumları Şekil PANI ve PANI/AK kompozitlerinin FT-IR spektrumları Şekil PANI filminin yüzey SEM mikrografı.. 88 Şekil PANI/%1AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%1AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%3 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%3 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%5 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%5 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%10 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%10 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%20 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%20 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı IX

13 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil PANI/%30 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%30 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI/%30 AK kompozit filminin yüzey SEM mikrografı Şekil PANI filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı. 96 Şekil PANI/%1 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı.. 96 Şekil PANI/%3 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı.. 97 Şekil PANI/%5 AK kompozit filmlerin yan-kesit SEM mikrografı Şekil PANI/%10 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı 98 Şekil PANI/%20 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı 98 Şekil PANI/%30 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı Şekil PANI kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı 99 Şekil PANI/%10 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı 100 Şekil 4.87 PANI/%20 AK kompozit filmlerin yan-kesit (cross-section) SEM mikrografı X

14 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ SİMGELER VE KISALTMALAR AK PANI ES EB LEB PN NMP FL UV-Vis FT-IR SEM LED OLED PLED GP CNT PEDOT PMMA CSA ITO : Aktif karbon : Polianilin : Emeraldin tuz : Emeraldin baz : Leukoemeraldin baz : Pernigranilin baz : N-metil pyrrolidinon : Fotoluminesans Spektrometre : Ultraviole-Visible Spektrofotometre : Fourier Transform Infrared Spektroskopisi : Taramalı Elektron Mikroskobu : Işık Yayan Diyot : Organik Işık Yayan Diyot : Polimer Işık Yayan Diyot : Güneş Pili : Karbon nanotüp : Polietilendioksitiyofen : Polimetil metaakrilat : Kamfor sulfonik asit : Indiyum kalay oksit XI

15 1.GİRİŞ 1. GİRİŞ 1.1. Çalışmanın Amacı ve İçeriği Bu çalışmanın içeriği iki ana bölümden oluşmaktadır: Birincisi, aktif karbon partiküllerinin fiziksel özelliklerini araştırılması, ikincisi ise uygun deneysel yöntemler kullanarak hedeflenen maddelerin sentezlenmesi ve karakterizasyonudur. Bu araştırmanın ilk safhasında asit ve bazların karbon partikülleri yüzeyindeki fiziksel etkileşimlerini incelemek için adsorpsiyonları değişik sıcaklıklarda çalışılarak termodinamik parametreler değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın ikinci bölümünde ise kendiliğinden iletken olan polimer PANI nin sentezini, optimize olmuş proses koşullarını kullanarak polianilin/aktif karbon (PANI/AK) kompozitlerinin hazırlanması amaçlanmıştır. PANI/AK kompozitleri in-situ polimerizasyon ve ex-situ çözelti karışımı yöntemleriyle üretilmiştir. PANI/AK kompozit filmleri damlatma ve döndürerek-kaplama (spin-coating) metotlarıyla hazırlanmıştır. HCl asit ile doyurma yapılmış PANI film ve PANI/AK kompozit filmlerin elektriksel iletkenlikleri ölçülmüştür. Saf PANI ve PANI/AK kompozitlerinin karakterizasyonu UV-Vis, FT-IR ve FL gibi metotları da içeren spektroskopik yöntemlerle ayrıca incelenmiştir. Saf ve kompozit fimlerin ve partiküllerin morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışmanın temel amacı; PANI/AK kompozitlerinin in-situ polimerizasyon ve exsitu çözelti karışım yöntemleriyle hazırlanması ve karakterizasyonu üzerine çalışma yapmaktır. Bu nedenle in-situ kimyasal polimerizasyondan elde edilen PANI/AK kompozitlerinin özelliklerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Saf PANI ve PANI/AK kompozitlerinden ince filmleri damlatma ve döndürerek-kaplama yöntemleriyle üreterek bu filmlerin hem kimyasal hem de fiziksel özelliklerini incelemektir. Karbon partiküllerinin ilave edilmesiyle PANI den AK üzerine elektron transferi olmakta ve PANI/AK kompoziti saf PANI e göre daha yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olmaktadır. Hazırlanan filmlerin kalınlığı SEM ölçümlerinde elde edilen yan-kesit mikrografları kullanılarak tayin edilmiştir. Saf polimer ve kompozit filmlerin elektriksel iletkenliklerini standart dört-nokta iletkenlik (four-point probe) teknik kullanılarak ölçülmüştür. FT-IR ve UV-Vis spektroskopileri kullanılarak polianilin üzerine karbon partiküllerinin doping etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, saf polimer ve kompozit filmlerin elektriksel ve optiksel özellikleri değişik yöntemlerle ölçülerek, fiziksel ve kimyasal yapıları araştırılmıştır. Böylece saf polimer ve kompozit filmlerin elektriksel iletkenlikleri ve kimyasal yapısı hakkında daha geniş bir bilgiye sahip olunması gerçekleştirilmiştir. Polimerlerle ilgili yapılan çalışmalarda, yapı aydınlatmada FT-IR tekniği son derece önemlidir. FT-IR spektroskopisinde, konjugasyon uzunluğu, iletken polimerlerin okside şeklinin en düşük enerjili elektronik hali ve yük taşıma kapasitesi gibi özellikler incelenebilir. Diğer taraftan UV-Vis spektroskopisi, iletken polimerlerde elektronik geçişleri incelemek için faydalı bir tekniktir. Polimerlerin işlenebilirliği açısından karşılaşılan en büyük problemlerden biri, çözünürlüklerinin az olmasıdır. Sentezlenecek polimerde karbon partikülü ile kompleks oluşturarak polimer molekülleri arasında ve polimer çözücü molekülleri arasındaki hidrojen bağı oluşumunu ve dolayısıyla polimerin jel oluşmasını azaltmak suretiyle çözünürlüklerinin artırılması hedeflenmektedir. 1

16 1.GİRİŞ 1.2. Polimer, Dolgu Maddeleri ve Kompozitler Polimerler; çok sayıda molekülün kimyasal bağlarla düzenli bir şekilde bağlanarak oluşturdukları yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerdir. Organik kimyacılar ondokuzuncu yüzyılın ortalarında bazı denemelerinde rastlantısal olarak yüksek molekül ağırlıklı maddeler sentezlediler. Bu yüzyılın ikinci yarısından itibaren polimer konusundaki araştırmalar gelişmiş ve yeni polimer türleri geliştirilmiştir. Bu alanın öncüsü Alman kimyager Hermann Staudinger ilk defa polimerizasyon koşullarının polimer oluşumu üzerine etkisini tanımlamıştır. Staudinger kimyanın bu alanında yaptığı çalışmalarla 1953 yılında Nobel ödülünü almıştır. Bu alanda ilk kez çalışan araştırmacılar doğal polimerleri taklit ederek işe başlamışlar ve 1930 yılında Wallace Carothers Nylonu sentezlemeyi başarmıştır. İkinci dünya savaşından bu yana birçok polimer laboratuarlarda üretilmiş ve ayrıca birçok polimer endüstriyel ölçekte üretilmeye başlamıştır. Endüstriyel organik kimyacılar ise daha çok polimer kimyası alanına kayarak çalışmalarını bu yönde sürdürmeye başlamıştır. Bunun sonucu olarak günümüzde sayısız polimer türü geniş bir uygulama alanında çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır (Staudinger, 1953). Polimerlerin fiziksel özellikleri molekül ağırlığı ile ilişkilidir. Bu nedenle polimerlerden beklenen fiziksel özellikleri gösterebilmeleri için belirli bir molekül ağırlığına sahip olmaları gerekir. Genellikle molekül ağırlığının artması ile yapıda moleküller arası çekim artmakta ve bu da polimerin mekanik ve ısı özelliklerini etkilemektedir. Polimerlerin molekül ağırlıkları, jel geçirgenlik kromatografisi, viskozimetrik ölçüm, ozmotik basınç ve ışık saçılması gibi yöntemlerle belirlenebilir. Polianilin (PANI) kısmen kolay işlenebilirliği, elektriksel iletkenliği ve çevresel dayanıklılığı nedeniyle önemli iletken polimerlerden biridir (MacDiarmid ve ark., 1985; Skotheim ve ark., 1997). Geniş kapsamlı elektriksel, elektrokimyasal ve optik özelliklere sahip olan polianilin sentetik metal olarak uygulama alanları için potansiyel olarak ilgi çekmiştir (Neoh ve ark., 1992). Elektriksel iletkenliğinin yük-transfer doping ve protonlanma ile tersinir olarak kontrol edilebilmesinden dolayı polianilin iletken polimerler arasında nadirdir. Genel olarak, PANI in emeraldine baz (EB) ve emeraldine tuz (ES, polaronik ve/veya bipolaronik) formları asit ve baz kullanarak doyurma (doping) ve uzaklaştırma (dedoping) ile birbirlerine dönüştürülebilirler (Premamoy ve ark., 1999). Kompozit uygulamalarında kullanılan başlıca dolgu maddeleri; siyah karbon, ince metal parçaları, silisyum dioksit partikülleri, ince cam tanecikleri, kalsiyum karbonat, alüminyum silikat ve killer, yüksek alev dayanımı ve az duman çıkışının gerekli olduğu uygulamalarda kullanılan alüminyum trihidrat, alev, duman geciktirici dolgu malzemesi olarak, kullanılan. kalsiyum sülfattır. Birçok dolgu maddeleri polimerlere katılarak kompozit maddeler oluşturulmaktadır. Örneğin, karbon nanotüpler kısmen kimyasal olarak inaktif, mükemmel elektriksel ve termal iletkenlik özelliklerine sahip, doğrusal olmayan optik özellikler ve üstün mekanik sağlamlıklar gösterirler (Ajayan ve Zhou., 2001). Karbon nanotüplerin (CNTs) keşfinden beri, CNT/polimer nanokompozitler üzerine CNT nin özelliklerini işlenebilir polimerlere ve alıcı maddelere ulaştırma ümidiyle araştırmalar yapılmıştır (Jia ve ark., 1999). Bir çok polimerler değişik uygulama alanlarını hedef alarak CNT/polimer kompozitlerde matriks maddesi olarak kullanılmıştır (Cooper ve ark., 2001). CNTs ler CNT/poly(3-octylthiophene) kompozitlerinde bir iletken dolgu maddesi olarak kullanılmıştır ve ayrıca CNT/poly (phenylene vinylene) (PPV) kompozitleri rapor edilmiştir (Musa ve ark., 1999; Coleman ve ark., 1999). Daha yakın zamanda, 2

17 1.GİRİŞ CNT/PEDOT kompozitleri organik light emitting diodlarında iletken tabakalarda delik olarak kullanılmıştır (Woo ve ark., 2001). Günümüze kadar, karbon nanotüp/polianilin (CNT/PANI) kompozitleriyle ilgili sadece bir kaç çalışma rapor edilmiştir (Cochet ve ark., 2001). CNT/PANI kompozitinin elektriksel iletkenliğinin saf PANI iletkenliğine göre on defa daha yüksek olduğu ölçülmüş ve aralarındaki etkileşim Raman spektroskopisiyle çalışılmıştır (Cochet ve ark., 2001). Ayrıca, CNT/PANI kompozit maddesi hazırlanmış ve karbon nanotüplerin dopant etkileri değişik spektroskopik yöntemlerle araştırılmıştır (Zengin ve ark., 2002). Bu çalışma ile PANI/AK kompozit maddesi ve bu kompozit maddeden iletken kompozit filmlerin yapımı gerçekleştirilmiştir. Son yıllarda kompozit maddeler yaygın olarak özellikle güneş pilleri (GP) ve ışık yayan diyotlar (Light emitting diode=led) yapımında kullanılmaktadır. Birçok güneş pilleri karma (kompozit) güneş pilleridir. Bunlar polimerlerle nanoparçacıkların karıştırılmasıyla elde edilen multispektrum tabakaların üst üste yığılması ile elde edilir. Bu tabakalarla oluşturulan güneş pilleri farklı dalga boyuna sahip ışığı elektrik enerjisine çevirmek için kullanılır. Işık yayan diyotlar, güneş pilleri gibi yarı iletken malzemelerden yapılmalarına rağmen çalışma prensipleri güneş pillerinin çalışma prensibinin tam tersi şeklindedir. Güneş pilleri üzerine düşen ışığı elektrik akımına çevirirken, ışık yayan diyotlar elektrik akımı ışığa dönüştürürler. Organik güneş pillerinde olduğu gibi eğer LED de kullanılan ışık yayan madde organik bir bileşik ise LED organik ışık yayan diyot (Organic light emitting diyote=oled) olarak adlandırılır. Bu organik madde küçük bir organik madde veya bir polimer olabilir. OLED lar geleneksel LED larla kıyaslandıklarında esnek olma gibi avantajlara sahiptirler. Organik LED ve organik GP lerinin çalışma prensibi, ışık etkisiyle konjuge polimerlerden oluşan donör-tipi yarı iletkenden akseptör-tipi yarı iletkene veya akseptör moleküllerine (C 60 gibi) yük transferi esasına dayanır. Konjuge polimerlerden yapılan GP ve LED için şu ana kadar ulaşılan maksimum verimlilik %3 civarındadır ve çalışmalar daha yüksek verimlilik için devam etmektedir. Bilimsel ve ticari öneme sahip OLED, LED ve GP leri dijital kameralar, bilgisayar ve televizyon ekranları, laserler gibi birçok elektronik ve optik cihazlarda kullanılmaktadır. Son zamanlarda, organik maddelerden yapılan LED ve GP gibi optik cihazlar günümüzde kullanılan cihazlarla yarış edebilecek düzeye gelmiştir. Özellikle konjuge polimerlerin ve fullerenlerin beraber sentezlenmesi, organik LED larin yapımında hızlı gelişmelere neden olmuştur. Bu hızlı gelişmeyle birlikte ucuz, esnek ve geniş alanlı organik GP, yüksek verimliliğe sahip fakat pahalı, yüksek teknoloji gerektiren silisyumdan yapılan güneş pillerine bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Başlıca kullanılan ışık yayan polimerler poli (p-fenilenevinilen (PPV), polianiline (PANI), politiyofen (PT) ve polipiridin (PPry) olarak sıralanabilir. Bir çok polianilinin/geleneksel polimer karışımları PLED da bir delik injeksiyon elektrodu olarak ve fotonik devre anahtarlarında optiksel açıdan doğrusal olmayan materyal olarak ve diğer uygulama alanlarında çalışılmıştır. Polianilin karışım sistemleri arasında PANI-CSA/PMMA karışımı OLED larında delik injeksiyon elektrodu materyali için önemli bir aday olarak kabul edilmiştir. Elektroaktif polimerlerdeki ilgi çekici özellik, ışık-emisyon diyotları, alan-etki transistörleri, fotovoltaik hücreler, güneş pilleri ve lazer gibi uygulama alanlarında ana materyal olmalarından ileri gelmektedir (Crone ve ark., 2002; Hoppe ve ark., 2004). Bu tür cihazların performansını iyi ayarlamak için, moleküler yapı ve makroskopik özellikler arasındaki ilişkinin iyi bilinmesi gereklidir. İletken polimerlerin kimyasal yapısı, kompleks oluşturması ve fiziksel özellikleri arasındaki ilişki son yıllarda önem kazanmıştır (Patil ve 3

18 1.GİRİŞ ark., 1988). Organik maddeler, özellikle polimerler, çözünürlük, işlenebilirlik, çevresel kararlılık, elektroaktivite gibi bir çok ilginç özelliklere sahiptir. Elektroaktif özelliğe sahip olan polimerlerin iletkenlik özellikleri, uygulanan potansiyel doping maddelerine göre değişmektedir. Ayrıca, redoks özellikleri farklılaştıkça, değişik renklere de sahip olurlar. Örneğin, iletken özelliğe sahip polianilin (emeraldin tuz formu) yeşil renkli iken, yalıtkan formunda (emeraldin baz formu) mavi renklidir. Bu tür özelliğe sahip PANI nin elektrokimyasal yolla elde edilebilmesi ve modifiye olmuş elektrot yapımında kullanılabilmesi nedeniyle, elektrokimyacıların ilgisini çekmiştir. Kompozitler makroskobik olarak birbirinden ayrı iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile imal edilen malzeme türüdür. Her kompozitte genellikle iki tip madde bulunur; matris ve takviye malzemesidir. Bu malzemeler birbirlerinden farklı fiziksel özelliklere sahipdirler, ve bir araya getirilmeleri ile oluşan kompozit malzeme her ikisinden farklı özelliklere kavuşur. Günümüzde en çok kullanılan kompozitlerden biri betondur, çimento ve kumdan meydana gelen malzeme matris çelik çubuklar ile desteklenir. Bir diğer tanınmış kompozit ise kerpiçtir. Yakın dönemde yaygınlaşmış ve sıkça kullanılan bir diğer polimer matrisli kompozit ise anorganik ve organik elyafların (elyaf olarak: fiberglas, karbon, aramid, polietilen, polipropilen vs.) kullanıldığı fiberglas bileşik, yani kompozit malzemelerdir. Kompozit malzeme türleri: 1. Polimer Kompozitler, 2. Metal Kompozitler, 3. Seramik Kompozitler olarak sınıflandırılabilir. Kompozit malzemelerin üç ana elemanı bulunmaktadır. Bunlar: 1. Matris Elemanı: Kompozit malzemelerde matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar, elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Matris malzemesi, termoset veya termoplastik polimer malzeme olarak sürekli fazı oluşturur. Termosetler grubunda ağırlıklı olarak polyesterler kullanılır. Bunun yanı sıra vinil ester/bisfenol, epoksi reçine ve fenolik reçinelerin kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Termoplastik grubunda yaygın olarak poliamid ve polipropilen kullanımını görülmektedir (yaklaşık % 68.3), bunların yanı sıra hibrid formda polietilen ve polibutilen tereftalat, polieterketon ve polietersülfon kullanımı da dikkat çekmektedir. 2. Takviye Elemanı: Matris malzeme içinde yer alan takviye elemanları kompozit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastite modülüne ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidir. Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer tutarlar. Aramid, karbon, grafit, boron, silisyum karbür, alümina, cam ve polietilen malzemelerin kısa veya uzun sürekli elyaf formunda kullanıldığı ve matrisi yaklaşık % 60 hacim oranında pekiştirici işlevi olan malzemelerdir. 3. Katkı Maddeleri: Dolgular, kimyasallar ve diğer katkılar matrise niteliklerine göre özelliklerin geliştirilmesi amacıyla ilave edilirler. Kompozit malzemeler uçak-uzay, savunma, yapı-inşaat, tüketim mallarında, korozyon dayanımı gerektiren uygulamalarda, elektrik-elektronik, denizcilik, kara taşıtlarında ve özel amaçlı uygulamalarda kullanılmaktadır. Özellikle otomotiv sektöründe giderek artan ve % 6 ya yaklaşan bir uygulama artış hızı görülmektedir. Yapılarında çok 4

19 1.GİRİŞ sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür. Bunlar; a. Elyaflı kompozitler, b. Parçacıklı kompozitler, c. Tabakalı kompozitler, d. Karma kompozitler olarak sınıflandırılabilir. Kompozit Malzemelerin Sağladığı Avantajlar: 1. Yüksek mukavemet, 2. Hafiflik, 3. Tasarım esnekliği, 4. Boyutsal stabilite, 5. Yüksek dielektrik direnimi, 6. Korozyon dayanımı, 7. Kalıplama kolaylığı, 8. Yüzey uygulamaları, 9. Şeffaflık özelliği, 10. Beton yüzeylere uygulama imkanı, 11. Ahşap yüzeylere uygulama imkanı, 12. Demir yüzeylere uygulama imkanı, 13. Yanmazlık özelliği, 14. Kompozitler sıcaklıktan etkilenmez, 15. Kompozitler içine farklı malzemeler gömülebilir, 16. Tamir edilebilirlik özelliği ve 17. Kompozitlerin kesilip delinebilme özelliğidir. Mekanik ve fiziksel özellikleri, eğilme dayanımı, eğilme modülü, çekme dayanımı, çekme modülü, sıkıştırma dayanımı, çekmede kopma, izod darbe testi, ısı iletkenliği, yanabilirlik, Rockwell sertliği, dielektrik sabiti, dielektrik dayanımı, spesifik ağırlık, yoğunluk, ısı yayılma derecesi, ısı yayılma katsayısı, reçine korozyon dayanımı kompozitler için uygun test yöntemleridir Aktif Karbon Yüksek gözenekliliğe sahip aktif karbonlar yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbanlar arasında çevre kirliliğini kontrol amacıyla kullanılan adsorbanların en önemlisidir. Aktif karbonlar, odun, turba, linyit, kömür, mangal kömürü, kemik, hindistan cevizi kabuğu, pirinç kabuğu, fındık kabuğu ve yağ ürünlerinden elde edilen karbonların çeşitli işlemlerden geçirilerek aktive edilmesiyle elde edilirler lü yılların başında, şuanki aktif karbon üretiminin temelini oluşturan patentler yayınlanmıştır. Aktif karbon kimyasal aktivasyon ve gaz aktivasyon yöntemleri ile üretilir yılından sonra, ilk olarak, aktif kömür su arıtılmasında kullanılmaya başlanmış, fakat yaygın bir kullanım sağlanamamıştır. Ancak, 1927 yılında Almanya da içme suyundaki klorofenol kokusu büyük problem yarattığından, şehir suyunun hazırlanması sırasında aktif karbon kullanımı da büyük önem kazanmıştır. Aktif karbon, 1929 yılında Hamm Water Works da granüler formda, bundan bağımsız olarak 1930 da Harrison tarafından Michigan Bay City de, yine 1929 yılında Spalding tarafından içme suyundaki kokuların uzaklaştırılması amacıyla toz halinde kullanılmıştır yılına gelindiğinde Amerika da 400 fabrika, 1943 yılında ise yaklaşık 1200 fabrika istenmeyen kokuların kontrolünde aktif karbonu kullanmıştır. Aktif karbon, insan sağlığına zararsız, kullanışlı ürünler olup, oldukça yüksek bir gözenekliliğe ve iç yüzey alanına sahiptirler. Aktif karbonlar, çözeltideki molekül ve iyonları gözenekleri vasıtasıyla iç yüzeylerine doğru çekebilirler ve bu yüzden adsorban olarak adlandırılırlar. Kirliliğin giderilmesinde gözenek büyüklüğü önemlidir. Gözenek büyüklüğünün belirlenmesi, karbonun özelliklerinin anlaşılmasında oldukça kullanışlı bir yöntemdir. Gözenekler silindirik veya konik şeklinde olabilir. Adsorpsiyon için gözenek yapısı, toplam iç yüzeyden daha önemli bir parametredir. Gözeneklerin büyüklükleri, uzaklaştırılacak olan kirliliklerin tanecik çaplarına uygun olmalıdır. Çünkü, karbon ve adsorplanan moleküller arasındaki çekim kuvveti, molekül büyüklüğü gözeneklere yakın olan moleküller arasında daha büyüktür. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) adsorbanlar için gözenek büyüklüğünü yarıçaplarına göre dörde ayırmıştır; 1. Makro gözenekler (r>25 nm), 2. Mezo gözenekler (1<r<25 nm), 3. Mikro gözenekler 5

20 1.GİRİŞ (0,4<r<1 nm), 4. Sub-mikro gözenekler (r<0,4 nm) olarak sınıflandırılabilirler (Şekil 1.1) (Gert Strand ve ark, 2001). Şekil 1.1. Aktif karbon modelinin şematik gösterimi Adsorpsiyon ve desorpsiyon için önemli olan aktif karbon gözenek sistemi, Şekil 1.1 de şematik olarak gösterilmiştir. Mikro gözenekler iç yüzeyin önemli bir kısmını teşkil ederler (~%95). Makro gözenekler ise adsorpsiyon için nispeten önemli olmamakla birlikte, ancak mikro gözeneklere doğru difüzyonun hızlı olması için iletici olarak gereklidirler. Makro gözenekler molekülün aktif karbon içerisine girmesini, mezo gözenekler daha iç bölgelere doğru taşınmasını sağlarken, mikro gözenekler ise adsorpsiyon olayı için kullanılırlar. Atık su işlemleri için günümüzde kullanılan en iyi aktif karbonlar çeşitli kömürlerden ve doğal materyallerden elde edilir. Bunlar: taş kömürü, mangal kömürü, turba, linyit, odun, kemik, hindistan cevizi, fındık ve pirinç kabuğu, meyve çekirdekleri ve yağ ürünleridir. Bu materyallerden elde edilen aktif karbonlar genellikle sert ve yoğundur. Suda bozunmadan uzun süre kullanılabilirler. Aktif karbonlar değişik özelliklere sahip şekillerde üretilebilirler. Bunlar; 1. Toz halindeki aktif karbonlar, 2. Granüle aktif karbonlar, 3. Pelet halindeki aktif karbonlardır. Karbonun kimyasal aktivasyonu sonucu, toz haldeki aktif karbonlar elde edilirler. Bu karbonlar, günümüzde atık suların temizlenmesi işlemlerinde en çok kullanılan aktif karbonlardır. Gaz aktivasyonu ile yapılan granüle ürünler ve peletler daha ziyade gazların saflaştırılmasında kullanılırlar. Ancak granüle haldeki aktif karbonların da atık su işleme sistemlerinde oldukça iyi sonuçlar verdiği belirtilmektedir. Granüle ve toz haldeki aktif karbonlar organik ve inorganik maddelerin uzaklaştırılmasında mükemmel sonuçlar vermektedir. Bu aktif karbonlar biyolojik olarak işlem görmüş atık suları ve organik kaynaklı endüstriyel atıklar içeren atık suları temizlemek için de yıllardır kullanılmaktadır. İçme suyu muamelesinde ana objektif insan tüketimi için güvenli, yüksek kaliteli, üretimde ekonomik, federal standartlara uygun suyu üretmek için aktif karbondan yardım alınır. 6