BENTONİT KİLİNİN PRİNA KÜLÜ İLE STABİLİZASYONU

Transkript

1 5. Geoteknik Sempozyumu 5-7 Aralık 2013, Çukurova Üniversitesi, Adana BENTONİT KİLİNİN PRİNA KÜLÜ İLE STABİLİZASYONU STABILIZATION OF BENTONITE CLAY WITH OLIVE WASTE ASH Utkan MUTMAN 1 ABSTRACT Olive oil is concentrated in the Mediterranean basin countries, including Turkey. Since the olive oil industries are incriminated for a high quantity of pollution, it has become imperative to solve this problem by developing optimized systems for the treatment of olive oil wastes. This study proposes a solution to the problem. Burned olive waste ash is evaluated for using as clay stabilizer. In a laboratory, bentonite clay is used to improve by olive waste ash. Before the laboratory, the olive waste burned at 550 o C in the high temperature oven. The burned olive waste ash was added in bentonite clay with increasing 1% by weight from 1% to 10%. The study consisted of the following tests on samples treated with burned olive waste ash: Atterberg Limits, Modify Proctor, Density, Unconfined Compressive Strength and Consolidation tests. The test results show promise for this material to be used as stabilizer and to solve many of the problems associated with its accumulation. Keywords: Bentonite, Olive Waste Ash, Stabilization, Improvement ÖZET Zeytin yağı, Türkiye nin de içinde olduğu Akdeniz ülkelerinde yoğun olarak üretilmektedir. Zeytin yağı üretiminde ortaya çıkan atık çevre kirliliğine neden olduğu için zeytin yağı atığının (prina) bertaraf edilmesi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu çalışmada zeytin yağı atığının (prina) bertaraf edilmesi için bir çözüm önerilmektedir. Yakılmış zeytin yağı atığı (prina) külü killeri iyileştirilmesi için kullanılmıştır. Laboratuvarda yapılan çalışmalarda saf bentonit kili prina külü ile iyileştirilmiştir. Laboratuvar deneylerinden önce prina 550 o C de yüksek ısı fırınında yakılmıştır. Elde edilen prina külü bentonit kili içerisine ağırlıkça %1 artışlarla %10 oranına kadar ilave edilmiştir. Farklı prina külü oranındaki bentonit kili örnekleri üzerinde Atterberg limitleri, modifiye sıkıştırma, özgül kütle, serbest basınç deneyleri uygulanmıştır. Bu deneyler sonucunda elde edilen optimum prina külü oranında hazırlanmış bentonit kiline ve saf bentonit kiline konsolidasyon deneyi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar prina külünün killerin geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesinde kullanılabileceği ve bu şekilde zeytin yağı üretiminde elde edilen atıkların (prina) yok edilmesinin sağlanacağını göstermiştir. Anahtar kelimeler: Bentonit, Prina, Zeytin Yağı Atığı, İyileştirme 1 Yrd. Doç. Dr., Kocaeli Üniversitesi, utkanmutman@kocaeli.edu.tr

2 1. GİRİŞ Zeytin ağaçları tüm kıtalarda bulunmasına rağmen, dünyadaki zeytin yağı üretiminin %97 si İspanya, Portekiz, İtalya, Yunanistan, Tunus ve Türkiye nin içinde olduğu Akdeniz ülkelerinde yapılmaktadır. (Lopez-Villalta, 1998) İronik olarak, zeytin yağının kullanımının sağlık açısından faydalarının bulunmasında rağmen, üretimi sırasında ortaya çıkan ve prina olarak adlandırılan atığı çevresel kirliliğe etkisi bakımından tehdit oluşturmaktadır (Kestioğlu vd. 2005). Prinanın zemin ve suları kirletmesi nedeniyle güvenli bir şekilde yok edilmesi çok önemlidir. Zeytin yağı kısa bir süre içerisinde çok büyük miktarlarda üretilmekte ve bu nedenle ortaya çıkan prina çevresel risk oluşmasından kaçınılması için yok edilmelidir. (Cayuela v.d. 2006). Zeytin yağı üretiminden dolayı meydana çıkan yüksek miktardaki atığın bertaraf edilmesi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Günümüzde kullanılan bu yöntemlerden bazıları, biyolojik iyileştirme, ışıl yöntemler, buharlaştırma, oksjenli ve oksijensiz parçalama olarak sayılabilir.(arvanitoyannis v.d. 2008) Prina zeytinin sıkılması ve zeytin yağı elde edilmesinden sonra ortaya çıkan bir yan üründür. Zeytin yağı endüstrisi için prinanın uzun dönemde birikmesi sorun teşkil etmektedir. Prinanın sahip olduğu yüksek ısı enerjisi nedeni ile en çok yakıt olarak kullanılmaktadır. Son zamanlarda, yüksek ısı enerjisi ve düşük kül miktarından dolayı enerji istasyonlarında kullanım oranı artmıştır. Bazı ülkeler (Yunanistan, İtalya, Tunus ve Türkiye) enerji üretimi için prina kullanınımın yaygınlaştırılmasını planlamaktadırlar. Prina bazı inşaat uygulamalarında da kullanılmaktadır. Amerika Birleşik Devletlerinde, prina yol inşaat malzemesi olarak bitüme karıştırılmaktadır. Ayrıca prina biriketleri geleneksel biriketlere göre daha hafif olarak üretilebilmektedir (Nalbantoğlu, 2006). Diğer yandan özellikle killi zeminlerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu iyileştirmede prina kullanılabilir. Bu şekilde, hem bir atık olan prina yok edilirken, hem de killi zeminler iyileştirilebilir. (Mutman, 2013) Sorunlu zeminlerin iyileştirilmesi için prina külü çok az sayıda çalışmalarda kullanılmıştır. (Attom v.d. 1998) Daha önce yapılmış olan çalışmalarda şişen zeminleri iyileştirmek için kireç, çimento ve uçucu kül katkıları kullanılmıştır. (Nalbantoğlu, 2006) Killi bir zemine kireç katılması sonucu çeşitli kimyasal reaksiyonlar oluşmakta ve bu reaksiyonların sonucunda katyon değişimi (topaklaşma), çökeltme-yığışma ve çimentolaşma meydana gelmektedir. Bu reaksiyonlardan bazıları ilk saatlerde başlamaktadır; özellikle pozolonik reaksiyonlar zaman içinde oluşarak uygun su muhtevasında ve sıcaklıkta yıllarca devam edebilmektedir. Katyon değişimi reaksiyonu sonucunda genellikle killerle birleşen tek atomlu katyonlar çift atomlu kalsiyum iyonlarıyla yer değiştirirler. Çökeltme-yığışma oluşumu sonucunda ise kil parçacıkları birbirlerine yönelerek, daha büyük parçacıklar oluşturmaktadır. Böylece killi zeminlerin yapısı değişmektedir. Kil parçacıkları birbirleriyle yumaklaşarak daha büyük boyutlu parçacıkları oluştururlar. (Kavak v.d., 2006). Bu çalışmada, prinanın yüksek ısı fırınında 550 o C de yakılarak elde edilen külü saf bentonit kilinin geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesi için kullanılmıştır. Bu çalışma kapsamında önce saf bentonit kilinin geoteknik özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra prina külü saf bentonit kili içerisine %1 oranında artışlarla %10 oranına kadar katılmış ve deneyler tekrarlanmıştır.

3 2. METODOLOJİ Bu çalışmada, prina külü saf bentonit kilinin iyileştirilmesi için kullanılmıştır. Bentonit kilinin özellikleri Tablo-1 de verilmiştir. Çalışmanın amacı kapsamında kullanılacak prina Bursa İli Gemlik İlçesinde bulunan zeytin yağı fabrikasından alınmıştır. Prina yüksek ısı fırınında 550 o C de 1 saat süre ile yakılarak kül elde edilmiştir. Daha sonra prina külü mm elekten elenmiş ve geçen prina külü çalışmalarda kullanılmıştır. Prina külünün özgül kütlesi 1.48 olarak bulunmuştur. Tablo 1. Bentonit kilinin özellikleri Kimyasal Analiz A.Z. (%) 7,50 ± 1,00 SiO2 (%) 71,00 ± 1,00 Al2O3 (%) 14,00 ± 1,00 Fe2O3 (%) 0,70 ± 0,10 TiO2 (%) 0,05 ± 0,01 CaO (%) 1,10 ± 0,30 MgO (%) 3,20 ± 0,20 Na2O (%) 0,25 ± 0,05 K2O (%) 1,00 ± 0,10 Minerolajik Analiz Montmorillonit (%) 80 Kristobalit-Opal C (%) 17 K-Feldspat (%) 3 Plajiyoklaz (%) Eser Özellikler Katyon Değişim Kapasitesi (meq/100 gr) 85,0 ± 5,0 CaCO3 (%) 0 Şişme (ml/2 gr) 8,0 ± 2,0 Sedimantasyon (72 hours) (ml) 10 Sinterleşme Noktası (oc) 1200 Yığın Yoğunluğu (gr/lt) 800 ± 30 Topaklanma Pozitif Topaklanma Aralığı (gr) 55 ± 5 Su Emme (%) 90 ± 5 Su Emme Süresi (sec) mak. 65 NH3 Salınımı (ppm) 40 Ağartma- Orijinal Tonsil 0,6 Ağartma- Asit Aktive Equivalent 0,7 ph (%8 katı) 8,5 Elek Bakiyesi (+75 µm) (%) <4 Renk Beyaz Açıklık 93 ± 1 Nem (%) <30 105±5 o C de kurutulmuş olan bentonit kiline prina külü %1 artışlarla %10 oranına kadar katılarak laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Her örnek hazırlanırken, bentonit prina külü ile

4 Atterberg Limitleri karıştırılmış ve sonrasında daneler arasında kimyasal aktivitenin oluşması için 1 saat beklenilmiştir. (Kavak v.d. 2007) İlk önce atterberg limit deneyleri uygulanmış ve likit limit ile plastik limit değerleri bulunmuştur. Daha sonra modifiye sıkıştırma deneyi uygulanmış ve her bir prina külü oranı için optimum su muhtevası belirlenmiştir. Serbest basınç deneyi için örnekler bulunan optimum su muhtevasında hazırlanmıştır. Serbest basınç deneyinde 0, 1, 7 ve 28 günlük kür sürelerinin her biri için 6 adet örnek hazırlanmıştır. Ayrıca her bir prina külü oranı için özgül kütle deneyi yapılmıştır. Serbest basınç mukavemetini en yüksek yapan prina külü oranında hazırlanmış örnek üzerinde konsolidasyon deneyi yapılmıştır. Çalışmada uygulanan deneyler TS-1900 e göre yapılmıştır. 3.DENEY SONUÇLARI Atterberg limitleri optimum kül oranının belirlenmesi amacı ile yapılmıştır. Kireç stabilizasyonunda plastisite indisinin 10 dan küçük olduğu kireç oranı optimum kireç oranı olarak seçilir. (Kavak v.d. 2007) Fakat bu çalışmada, prina külü oranı arttıkça likit limit değerlerinde önce düşüşler olmakta daha sonra %5 kül oranından sonra likit limit değerleri tekrar yükselmektedir. Buna karşın plastik limit değerlerinde fazla değişiklikler olmamaktadır. Bunun sonucunda da Şekil 1 de verilen grafikte de görüleceği üzere plastisite indisi 100 değerinden 80 değerine düşmekte ve %5 kül oranından sonra tekrar 95 değerine artmaktadır. Bu nedenle çalışmada optimum kül oranı Atterberg limitleri ile belirlenememiştir LL PL Ip Prina Külü Oranı (%) Şekil 1. Atterberg limitlerinin değişimi Modifiye sıkıştırma deneyi yapılmış ve optimum su muhtevaları bulunmuştur. Bu amaçla deneye başlanmadan önce bentonit kiline prina külü %1 oranında konulmuş ve toplam ağırlığın %10 u oranında su ilave edilerek 1 saat kimyasal aktivite için beklenmiştir. Saf bentonit üzerinde yapılan deneyde optimum su muhtevası %38 ve maksimum birim hacim ağırlık değeri kn/m 3 olarak bulunmuştur. Prina külü bentonite %1 oranında eklendiğinde optimum su muhtevası %35 ve maksimum birim hacim ağırlık değeri kn/m 3 olarak bulunmuştur. Fakat daha büyük kül yüzdelerinde optimum su muhtevalarında artışlar, aynı zamanda da kuru birim hacim ağırlık değerlerinde düşüşler

5 Özgül Kütle gözlenmiştir. Ayrıca %1 prina külü oranında elde edilen sıkıştırma deneyi grafiği daha yatay konumda iken diğer prina külü oranlarında daha dik bir grafik elde edilmiştir. (Şekil 2) Bu durum ise %1 prina külü oranındaki bentonit kilinde maksimum kuru birim hacim ağırlık değerinin su muhtevası değişikliklerinden daha az etkilendiğini göstermektedir. Şekil 2. Modifiye sıkıştırma deneyi sonuçları Çalışma kapsamında özgül kütle deneyi yapılmıştır. Saf bentonitin özgül kütlesi 2.10 olarak bulunmuştur. %1 oranında prina külü karıştırıldığında özgül kütle 2.40 değerine yükselmiştir. %6 prina külü oranına kadar özgül kütle değerlerinde düşüşler oluşmuş ve bu değerden sonra 2.28 değerinde sabit kalmıştır. (Şekil 3) 2,45 2,40 2,35 2,30 2,25 2,20 2,15 2,10 2,05 2,00 1,95 1, Prina Külü Oranı Şekil 3. Özgül kütle değerleri Serbest basınç deneyi saf bentonit kiline ve % 1 oranında artırılarak prina külü eklenmiş bentonit kili örneklerine uygulanmıştır. Serbest basınç örnekleri daha önce elde edilmiş olan optimum su muhtevalarında hazırlanmıştır. Hazırlanan örnekler anlık (0 gün), 1 gün, 7 gün ve 28 gün kür edildikten sonra serbest basınç deneyi uygulanmıştır. Her bir kür süreleri için 6 adet örnek hazırlanmıştır. %1 prina külü ilave edilmiş olan bentonit örneğinde 28 günlük kür sonunda en yüksek serbest basınç mukavemeti elde edilmiştir.

6 Ayrıca anlık, 1 günlük ve 7 günlük kür süreleri sonunda da en yüksek serbest basınç mukavemeti %1 prina külü ilave edilen bentonit kilinde elde edilmiştir. %1 prina külü oranından sonra 28 günlük serbest basınç mukavemetlerinde keskin düşüşler meydana gelmektedir. Diğer kür sürelerinde serbest basınç mukavemetlerinde düşüşler meydana gelmesine rağmen 28 günlük kür süresi gibi keskin olmamaktadır. Ayrıca 28 günlük kür süresindeki serbest basınç mukavemetleri %1 prina külü oranından sonra diğer kür sürelerinden daha düşük değerde elde edilmiştir. (Şekil 4) Şekil 4. Serbest Basınç Mukavemetleri Serbest basınç deneyi sonrasında elde edilen en büyük serbest basınç mukavemeti değerini veren %1 prina külü oranındaki bentonit kili ve saf bentonit kili üzerinde konsolidasyon deneyi uygulanmıştır. Deney için örnekler optimum su muhtevasında hazırlanmıştır. Aynı zamanda örneklerin şişme basıncı ölçülmüştür. Saf bentonit kilinde şişme basıncı 100 kpa iken %1 prina külü ilave edilmiş olan bentonit kilinin şişme basıncı 50 kpa olarak bulunmuştur. Her iki örnek için ön konsolidasyon basıncı 200 kpa olarak bulunmuştur. Saf bentonit için sıkışma indisi (Cc) 0.396, tekrar sıkışma indisi (Cr) ise olarak bulunmuştur. %1 prina külü ilave edilen bentonit kilinin sıkışma indisi (Cc) 0.371, tekrar sıkışma indisi (Cr) ise olarak bulunmuştur. 4.SONUÇLAR Likit limit değerleri %5 prina külü oranına kadar azalmakta ve sonra tekrar artmaktadır. Buna karşın, plastik limit değerlerinde değişiklik olmamıştır. Bunun sonucu olarak plastisite indisi değerleri likit limit değerlerine benzer şekilde %5 prina külü oranında en düşük değeri almıştır. En yüksek özgül kütle değeri %1 prina külü oranında elde edilmiştir. Bu orandan sonra özgül kütle değerlerinde düşüşler gözlenmiş ve %6 prina külünden sonra sabit kalmıştır. Özgül kütlesi bentonite göre daha düşük olan prina külünün karışımdaki oranının fazla olması bu düşüşe sebep olmaktadır.

7 Çalışmada elde edilen en yüksek maksimum kuru birim hacim ağırlık değeri olan kn/m 3 %1 prina külü oranında elde edilmiştir. Yine en düşük optimum su muhtevası aynı prina külü oranında elde edilmiştir. Serbest basınç deneyinde en büyük serbest basınç mukavemeti %1 prina külünde elde edilmiştir. Ayrıca anlık, 1 günlük ve 7 günlük kür süreleri sonunda da en yüksek serbest basınç mukavemeti %1 prina külü ilave edilen bentonit kilinde elde edilmiştir. %1 prina külü oranından sonra 28 günlük serbest basınç mukavemetlerinde keskin düşüşler meydana gelmektedir. Diğer kür sürelerinde serbest basınç mukavemetlerinde düşüşler meydana gelmesine rağmen 28 günlük kür süresi gibi keskin olmamaktadır. Ayrıca 28 günlük kür süresindeki serbest basınç mukavemetleri %1 prina külü oranından sonra diğer kür sürelerinden daha düşük değerde elde edilmiştir. Şişme basıncı değeri saf bentonit örneğinde daha yüksek iken %1 prina külü ilave edilmiş bentonit kilinde %50 oranında azalmıştır. Konsolidasyon deneyinde prina külü ilave edilmiş bentonit kilinin sıkışma indisi ve tekrar sıkışma indisi değerleri daha düşük elde edilmiştir. Prina külü içerisinde bulunan kalsiyum karbonat (CaCO3) kalsiyum oksit (CaO) ve kalsiyum dioksit (CO2), kalsiyum oksit (CaO) yada kalsiyum hidroksite (Ca(OH)2) dönüşür. Su prina külü içindeki silika ile reaksiyona girmesi ile kil mineralini kalsiyum silikat hidrata çevirmektedir. Yani bu kimyasal aktivite ile çimento minerali oluşmaktadır. Bu çimentolaşma nedeni ile serbest basınç mukavemetinde artış gözlenmektedir. Yüksek prina oranlarında serbest basınç mukavemetinin düşüşü özgül kütle değerlerindeki düşüş nedeni ile oluşmaktadır. Ayrıca prina külü oranının artması örnek içindeki kohezyonsuz malzeme miktarının artmasına neden olduğundan serbest basınç mukavemetinin düşmesine neden olmaktadır. KAYNAKLAR Arvanitoyannis, I.S., Kassaveti, A. and Stefanatos, S. (2008). Olive oil waste treatment: a comparative and critical presentation method. Advantages & disadvantages Critical Reviews in Food Science and Nutrition 47, Attom, M.F., Al-Sharif, M.M. (1998). Soil stabilization with burned olive waste Applied Clay Science, 13, Cayuela, M.L., Sánchez-Monedero, M.A. and Roig, A. (2006), Evaluation of two different aeration systems for composting two-phase olive mill wastes Process Biochem 41(3), Kavak A., Mutman U., Bilgen G. (2006). "Yol Tabanında Zayıf Zeminlerin Güçlendirilmesi İçin Kireç Stabilizasyonu" Kocaeli Özelinde Büyükşehirlerin Kentsel Yapılaşma ve Ulaşım Sorunları Sempozyumu. Kavak A., Akyarlı A. (2007). A field application for lime stabilization Environmental Geology, 51,

8 Kestioglu, K., Yonar, T. and Azbar, N. (2005), Feasibility of physico-chemical treatment and advanced oxidation processes (AOPs) as a means of pretreatment of olive mill effluent (OME) Process Biochem 40, Lopez-Villalta, L.C. (ed.) (1998), The olive tree, the oil, the olive, International Olive Oil Council Publications, Madrid. Mutman, U. (2013), Clay Improvement with Burned Olive Waste Ash, The ScientificWorld Journal, Vol. 2013, 1-4. Nalbantoglu, Z., Tawfiq, S. (2006). Evaluation of the effectiveness of olive cake residue as an expansive soil stabilizer Environmental Geology, 50,