PROJE RAPORU FALCI. Atık Kahve Telvesinden Aktif Karbon Üretimi

Transkript

1 TÜBİTAK-BİDEB KİMYAGERLİK, KİMYA ÖĞRETMENLİĞİ VE KİMYA MÜHENDİSLİĞİ KİMYA LİSANS ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJESİ EĞİTİMİ ÇALIŞTAYI (KİMYA-2 ÇALIŞTAY 2011) PROJE RAPORU GRUP ADI FALCI PROJE ADI Atık Kahve Telvesinden Aktif Karbon Üretimi PROJE EKİBİ Begüm HOŞTUT Elif ÖZCAN Kıvanç KARAOĞLAN PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Mehmet KANDAZ Doç. Dr. Mustafa SÖZBİLİR KEPEZ/ÇANAKKALE TEMMUZ

2 İÇİNDEKİLER SAYFA NO Proje kapağı..1 İçindekiler..2 Proje özeti..3 Giriş....3 Materyal ve Yöntem.6 Sonuç ve Değerlendirme..8 Kaynaklar 10 Katkıda Bulunanlar 11 Kısa Özgeçmiş.11 2

3 PROJENİN AMACI Atık kahve telvesinden sanayi değeri yüksek olan aktif karbon üretimi amaçlanmıştır. PROJENİN HEDEFLERİ Atık maddelerin geri kazanımını sağlamak Ticari düzeyde aktif karbon üretmek Aktif karbon üretiminde fiziksel ve kimyasal aktivasyon arasındaki farkların belirlenmesi ÖZET Dünyada tarımsal ürünlerin çeşitli şekillerde tüketimi sonucu çok büyük miktarda atık açığa çıkmakta ve ciddi ölçüde kaynak bu şekilde kaybedilmektedir. Bu nedenle, bu tür atıkların değerlendirilmesi ve ekonomiye kazandırılması için hammadde olarak kullanıldığı pek çok çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmada Türk kahvesinin telvesinden fiziksel ve kimyasal aktivasyon yöntemleri ile aktif karbon üretilmiş ve yüzey alanı, gözenek boyutu ve hacmi BET yöntemiyle ölçülmüştür. Sonuçlar endüstride kullanılan ticari aktif karbon değerleri ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. 3

4 GİRİŞ Dünyada yıllık kahve tüketimi yaklaşık olarak 1,5 2 milyon tondur. Kahvenin kökeni araştırmacılar tarafından 14. yy başlarında Güney Habeşistan'dan tüm dünyaya yayıldığı şeklinde belirtilmiştir. Bunun kaynağı da etimolojik olarak kahve ile yakın benzerlik gösteren Güney Habeşistan'daki Kaffa yöresi gösterilmektedir. Önceleri Arap Yarımadası'nda kahve meyvesinin kaynatılması ile elde edilen içecek, bu yepyeni hazırlama ve pişirme metoduyla gerçek kahve lezzetine ve eşsiz aromasına kavuşmuştur. Kahve ile Türkler sayesinde tanışan Avrupa; uzun yıllar kahveyi, Türk kahvesi olarak bu yöntemle hazırlayıp tüketmiştir. Türk Kahvesi, Türkler tarafından keşfedilen kahve hazırlama ve pişirme metodunun adıdır. Özel bir tadı, köpüğü, kokusu, pişirilişi, ikramıyla kendine özgü bir kimliği ve geleneği vardır. Telvesi ile ikram edilen tek kahve türüdür. Çevre kirliliğini kontrol amacıyla yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbentler arasında en önemlisi yüksek gözenekliliğe sahip aktif karbonlardır. Aktif karbon, büyük kristal formu ve oldukça geniş iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanlar ailesini tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Aktif karbonlar, 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. Endüstriyel amaçlı aktif karbon kullanımı 18. yy sonlarında İsveçli Kimyager Karl Wilhelm Scheele tarafından gazların odun kömürü kullanılarak adsorbe edilmesi ile başlatılmıştır. Aynı yüzyılda Rus akademisyen Lovits in organik madde içeren tartarik asit çözeltisinin rengini gidermek için odun kömürü kullandığı bilinmektedir [1]. Aktif karbon üretiminde odun, fındık kabuğu, meyve çekirdekleri gibi doğal maddelerin yanı sıra polimer bazlı sentetik hammaddeler gibi karbon içeren tüm maddeler kulanılabilmektedir. Başlangıç malzemesinin seçimi kolay elde edilebilmesine, ucuzluğuna bağlıdır. Yeterli miktarda karbon içeren, kolay elde edilebilen ve düşük maliyete sahip olan hemen her madde aktif karbon hammaddesi olarak kullanılabilir. Kullanılacak hammaddenin, 4

5 Ø Üretilecek aktif karbon veriminin iyi olması Ø İnorganik madde içeriğinin düşük olması Ø Maliyetinin düşük ve kolay elde edilebilir olması Ø Depolama sürecinde bozulmaması Ø Kolay aktive edilebilmesi kriterlerini sağlaması gerekmektedir [2]. Aktif karbon üretimi fiziksel ve kimyasal aktivasyon olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel aktivasyon, başlangıç maddesinin termal bozunması (karbonizasyonu) ve karbonize yapının aktivasyonu olmak üzere iki kademeden oluşur. Karbonizasyon esnasında oksijen ve hidrojenin ilkel maddeden uzaklaştırılmasıyla gözenekli bir yapıya sahip karbon iskeleti üretilmiş olur. Aktivasyon esnasında ise kömürleşmiş malzemenin oksidan bir ortamda işlem görmesi sonucunda karbonun yanmasıyla ortaya çıkan uçucu maddelerin oksijenle birleşerek ortamdan uzaklaşması, böylelikle de gözenek hacmi ve yüzey alanının büyük oranda artması sağlanmaktadır. Geniş aktif yüzeyli ve büyük por hacimli aktif karbon elde etmenin diğer bir yolu da kimyasal aktivasyon işlemidir. Uygulanan kimyasal aktivasyon yöntemleri değişiklik göstermekle birlikte kimyasal aktivasyon, uygun boyuttaki başlangıç maddesi ile kimyasal bir maddenin K arasında bir sıcaklıkta reaksiyona girmesi ile gerçekleştirilebileceği gibi, belirli bir sıcaklıkta karbonize edilmiş başlangıç maddesinin bir kimyasal madde ile reaksiyonu sonucu da gerçekleştirilebilir. 5

6 MATERYAL VE YÖNTEM : MATERYAL 15 g Türk kahvesi ( Mehmet Efendi ) atığı 60 ml fosforik asit Saf su Argon gazı Süzgeç düzeneği Kapaklı kroze Erlen ve Beher Etüv Havan Kül fırını Micrometrics Gemini VI Surface Area and Pore Size Analyzer ( Bet Yöntemi ) YÖNTEM Bu çalışmada 100 g Türk kahvesi telvesi temin edildi. Bu kahvenin bir miktarı pişirilerek elde edilen telveler 110 o C de kurutuldu. Kurutma işlemi tamamlandıktan sonra fiziksel ve kimyasal aktivasyon işlemleri için sırasıyla 5 g ve 10 g kurutulmuş kahve telvesi tartıldı. Fiziksel aktivasyon için 5 gram numune inert gaz atmosferinde 900 o C de 1.5 saat süre ile karbonlaştırıldı. Kimyasal aktivasyon için ise fosforik asit çözeltisinin 60 mililitresine 10 gram kurutulmuş kahve telvesi konularak 1 saat süre ile karıştırıldı [4] [5]. Karışım saf su ile yıkanıp süzüldü, etüvde 1 saat kurutuldu ve kalıntı C de 1.5 saat süre ile inert atmosferinde ısıtıldı. Gerekli analizlerin yapılabilmesi için üretilen aktif karbon 40 o C de etüvde 12 saat süre ile kurutuldu. Yüzey alanı ve gözenek boyutunu ölçmek için BET yöntemi kullanıldı. Bu yöntem için öncelikle aktif karbon örneği hassas terazide tartıldı. Tartılan numuneden nemin giderilmesi için degaz yöntemi uygulandı. Bu yöntem için numune 100 o C den 200 o C ye kademeli olarak 3 saat içerisinde çıkarıldı. Tekrar tartım 6

7 alındı ve değerler cihaza girilerek BET Metodu ile üretilen aktif karbonun yüzey alanı, gözenek hacmi ve gözenek boyutu belirlendi. YAPILAN ANALİZLER Aktif karbonun yüzey alanı BET yöntemi ile belirlenir. Bu yöntemde adsorplanan madde olarak genellikle N 2 gazı kullanılır. BET, gazların katı malzemelerin yüzeylerine fiziksel adsorpsiyon karakteristiğini kullanarak yüzey alanı hakkında bilgi veren bir yöntem olup, gazın bir katı yüzeyinde oluşturduğu fiziksel olarak adsorbe olmuş monotabaka prensibini baz alır. Farklı basınçlarda katı numune yüzeyine adsorbe olan gaz karışımı miktarlarından sonuca gidilir. BET cihazından numunenin gözenek hacmi, porozitesi ve aktif yüzey alanı hakkında detaylı bilgiler elde edilebilmektedir. 7

8 SONUÇ VE TARTIŞMA Fiziksel aktivasyon sonucu üretilen aktif karbonun analiz sonuçları tablo 1 de gösterilmiştir. YÖNTEM YÜZEY ALANI (m 2 /g) GÖZENEK BOYUTU ( nm) GÖZENEK HACMİ ( cm 3 /g) BET LANGMUIR Tablo 1.Fiziksel aktivasyon sonucu üretilen aktif karbonun analiz sonuçları Ticari aktif karbon için spesifik yüzey alan değerlerinin m 2 /g aralığında değiştiği görülmektedir [3]. Tablo 1 de gösterilen değerlere göre; kahve telvesinin fiziksel aktivasyonu sonucu elde edilen aktif karbonun yüzey alanı değeri BET yöntemine göre m 2 /g olarak bulunmuştur. Bu değer belirlenmiş ticari aktif karbon yüzey alanı aralığına yakındır. Kimyasal aktivasyonla aktif karbon üretimi denenmiş olmasına rağmen sonuçlar beklenildiği gibi bulunamamıştır. Bunun nedenleri, zaman kısıtlılığıdır. Kimyasal aktivasyon işlemi tamamlanmış olsaydı, üretilen aktif karbonun yüzey alanı fiziksel aktivasyon işlemi sonucunda üretilen aktif karbonun yüzey alanından çok daha büyük olacaktı. The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adsorbanlar için gözenek büyüklüğünü yarıçaplarına göre dörde ayırmıştır. Bunlar [1]: Makro gözenekler (r > 25 nm) Mezo gözenekler (1 < r < 25 nm) Mikro gözenekler (0,4 < r < 1 nm) Submikro gözenekler (r < 0,4 nm) dir. 8

9 Tablo 1 de gösterilen değerlere göre; kahve telvesinin fiziksel aktivasyonu sonucu elde edilen aktif karbonun gözenek büyüklüğü BET yöntemine göre nm olarak bulunmuştur. Bu değer mezo gözenek büyüklüğü aralığına girmektedir. Aktif karbondaki bu gözeneklerin adsorpsiyon işleminde farklı görevleri vardır. Aktif karbona adsorplama kapasitesi kazandıran yapılar mikro ve mezo gözeneklerdir. ÖNERİLER Ticari değeri yüksek aktif karbonu daha verimli bir şekilde elde edebilmek için; Kül fırınındaki karbonizasyon işleminin süresi uzatılabilir Aktivasyon işlemi için fosforik asit yerine ZnCl 2 gibi aktive edici diğer maddeler kullanılabilir. 9

10 KAYNAKÇA 1. Dermanlı. Y., Gıda Fabrikasyon Atıklarından Aktif Karbon Üretimi ve Soya Yağını Ağartma Performansının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi. 2. Marsh, H., Heintz, K.A., Rodriguez-Reinoso, F., (1997), Introduction to Carbon Technologies University of Alicante, Scretariaclo de Publicationes. 3. Aydın, S., Güneysu, S., Arayıcı, S., 2007, Artıma Tesisi Çamurlarından Piroliz ile Elde Edilen Adsorbentlerin Tekstil Atık Sularından KOI ve Renk Giderimi için Kullanımının Araştırılması, İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Bölümü, Çevre Bilimleri A.D. Araştırma Notu, İstanbul. 4. Baquero, M.C., Giraldo, L., Moreno, J.C., Suarez- Garcia, F., Martinez-Alonso, A., Tascon, J.M.D., 2003 Activated carbons by pyrolysis of coffee bean husks in presence of phosphoric acid. J. Anal. Appl. Pyrolysis 70: Reffas, A., Bernardet, V. David, Reinert, L Carbons prepared from coffee grounds by H 3 PO 4 activation: Characterization and adsorption of methylene blue and Nylosa Red N-2RBL. Journal of Hazardous Materials 175:

11 KATKIDA BULUNANLAR Çalıştay süresince projelendirmemize yardımcı olan tüm proje ekibine, danışmanlarımıza ve bizlere yardımcı olan tüm arkadaşlarımıza teşekkür ederiz. Ayrıca; deney süresince yardımlarını bizden eksik etmeyen değerli hocalarımız Prof. Dr. Mehmet KANDAZ, Doç. Dr. Mustafa SÖZBİLİR ve Emre SEFER hocamıza teşekkürlerimizi bir borç biliriz. ÖZGEÇMİŞLER Elif ÖZCAN (Yıldız Teknik Mühendisi İSTANBUL) 1989 yılında Safranbolu da doğdu. İlköğretim ve liseyi İstanbul da tamamladı yılında Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya-Metalürji Fakültesi Kimya Mühendisliği bölümünden mezun oldu. Kıvanç KARAOĞLAN ( 9 Eylül Üniversitesi- İZMİR) 1988 yılında İskenderun da doğdu. İlköğretim ve liseyi İskenderun da tamamladı yılında 9 Eylül Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya bölümünden mezun oldu. Begüm HOŞTUT (Eskişehir Osmangazi Üniversitesi) 1989 yılında Eskişehir de doğdu. İlk ve orta öğrenimini Eskişehir de tamamladı yılında Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya bölümünden mezun oldu. 11