FOSFORİK ASİTLE AKTİFLEŞTİRİLEN ŞEKER PANCARI KÜSPESİNDEN AKTİF KARBON ELDE EDİLMESİ, KARAKTERİZASYONU VE PB(11) İYONLARININ ADSORPSİYONUNDA KULLANILMASI

Abstract

Yüksek Lisans Tezi FOSFORİK ASİTLE AKTİFLEŞTİRİLEN ŞEKER PANCARI KÜSPESİNDE! AKTİF KARBON ELDE EDİLMESİ, KARAKTERİZASVONU VE Pb(ll) İYONLARININ ADSORPSİVONÜNDA KULLANILMASI Gülüfer CAM Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilirin Dalı 1999, Sayfa 98 Sulu ortamdaki mi kroki rl eti cilerin adsorpsiyonla uzaklaştırılmasında kul lanılan en genel adsorbentlerden biri aktif karbondur. Aktif karbon ticari olarak odun, antrasit, linyit ve bitümlü kömürler gibi karbon içeriği yüksek maddelerden üretilmekle birlikte, fındık ve hindistan cevizi kabuklan, zeytin ve şeftali çekirdekleri ile şeker kamışı bağası gibi bazı tarımsal yan maddelerin de aktif karbon üretiminde kullanıldığı çalışmalar mevcuttur. Aktifleştirme işlemi genellikle karbonizasyon esnasında ortamdan su buharı veya karbon di oksit geçirilerek yapılabildiği gibi, kullanılan başlangıç maddelerinin uygun aktifleştirici maddelerle aktifleştirilmesini takiben uygulanacak karbornizasyonla da gerçekleştirilebilir.Bu çalışmada, başlangıç maddesi olarak şeker pancarı küspesi kullanılarak aktif karbon elde edilmesi amaçlanmıştır. Aktifleştirme işlemi 50 g pancar küspesi 24 saat süre ile 200 mi % 30'luk fosforik asit çözeltisi ile temas ettirilerek gerçekleştirilmiştir. Aktifleştirme işlemini takiben pancar küspesi, sabit bir yatakta değişik sıcaklıklarda (300, 400 ve 500 °C) 90-300 dakika süre ile sabit azot akımında karbonize edildi. Bu şekilde hazırlanan aktif karbon örneklerinin bazı karakteristikleri belirlendikten sonra, bazı örnekler sulu çözeltilerden Pb(ll) iyonlarının giderilmesinde kullanılmıştır. Üretilen aktif karbonun verimi büyük ölçüde karbonizasyon sıcaklığı ve süresine bağlıdır. Karbonizasyon sıcaklığı ve süresi ne kadar yüksekse üretilen aktif karbon miktarı da o kadar düşüktür. Aktif karbon örneklerinin kül içeriği % 18.1-24.2 arasında değişmektedir. Düşük sıcaklıklarda kısa süreli yapılan karbonizasyon işlemleriyle elde edilen aktif karbon örneklerinin karbon içeriği daha yüksektir. Ancak sıcaklık ve sürenin artırılması durumunda elde edilen aktif karbon örneklerinin karbon içeriği azalmaktadır. Aktif karbon örneklerinin asitte çözünmeyen inorganik madde miktarı, karbonizasyon şartlarına bağlı olarak değişmektedir. 300 dakika süreyle 500 °C'de gerçekleştirilen karbonizasyon işlemiyle elde edilen aktif karbon örneği asitte çözünmeyen inorganik madde miktarı % 14.7 olarak tespit edilmiştir. Bu değer tayin edilen en yüksek değerdir. Hazırlanan aktif karbon örneklerinin iyot adsorplama kapasitesi oldukça yüksektir. Pancar küspesinin 500 °C'de 300 dakika süre ile karbonizasyonuyla elde edilen Örneğin iyot sayısı (IS) 635.7 mgfe/g olarak tayin edilmiştir. Aktif karbon örneklerinin yüzey alanları hem sıvı faz fenol adsorpsiyonu hem de BET yöntemiyle tayin edilmiştir. Her iki yöntemle hesaplanan yüzey alanları karbonizasyon sıcaklığı ve süresinin artırılmasıyla artmaktadır. Ancak BET TC YÜISEff S^tL - "I^.ÜT/J DOKÜMANIA^.'-ü;: M£u:£2İ111 yöntemiyle tayin edilen değerler fenol adsorpsiyon yöntemiyle elde edilen değerlere göre çok daha yüksektir. Değişik şartlarda elde edilen aktif karbon örneklerinin Pb(ll) iyonlarım uzaklaştırma verimi, karbonizasyon sıcaklığı ve süresinin artırılmasıyla artmaktadır. En etkin giderme fosforik asitle aktifleştirilen pancar küspesinin 400 ve 500 C'de 300 dakika süreyle karbonizasyonundan elde edilen aktif karbon örnekleri ile sağlanmıştır. Ancak yukarıda belirtilen iki sıcaklıkta elde edilen aktif karbon örneklerinin Pb(ll) iyonlarını giderme verimleri arasında önemli bir fark bulunmamaktadır. Bu nedenle yüksek sıcaklığın karbonizasyon prosesinin maliyeti üzerindeki etkisi dikkate alınarak çalışmanın geri kalan kısmında 400 °C "de gerçekleştirilen karbonizasyona elde edilen aktif karbon örnekleri kul 1 anılmıştır. 20 mg/l'lik Pb(il) çözeltisinin 2.5 g/l dozunda aktif karbonla (400 °C'de 300 dakika süreli karbonizasyonla elde edilen) 25 C'de ve pHD 4.5 'te 120 dakika süreyle temas ettirilmesi sonucu mevcut kurşunun % 62.4'ü giderilmiştir. Aynı şartlarda pHb'nin 8.2 'e çıkarılmasıyla giderme verimi % 85.9'a çıkmıştır. Ancak bu pH değeri Pb(II) iyonlarının hidroksit halinde çökmesi için gerekli teorik pH değerine oldukça yakındır. Başlangıç pH'sını ayarlamak amacıyla gerekli NaOH tüketiminden kaçınmak için optimum pHD 4.5 olarak seçilmiştir. Bu pH değeri karışımların orjinal pH'sına (yaklaşık 4.0-4.2) yakın bir değerdir. Pb(ll) iyonlarının giderilmesi prosesinde, dengeleme süresi 120 dakika olarak tespit edilmiştir. Aktif karbon dozunun artırılmasıyla giderme verimi artmaktadır. Ancak giderme verimindeki artış trendi dozdaki artışa göre daha yavaştır. 1 g/l dozunda aktif karbon kullanılmasıyla 20 mg/l'lik çözeltideki kurşunun % 56.0'ı giderilirken, dozun 10 kat artırılmasıyla giderme verimi ancak % 73.2'ye ulaşmıştır. Diğer taraftan farklı sıcaklıklarda (25, 40 ve 60 *C) gerçekleştirilen deney sonuçlan Langmuir ve Freundlich izotermlerineİV uygulanmıştır. İzoterm çalışmaları farklı pHb (4.5 ve 5.3) değerlerinde gerçekleştirilmiştir. İzoterm eşitliklerinden hesaplanan sabitler, Pb(ll) iyonlarının giderme veriminin karışımın sıcaklığı ile azaldığını göstermektedir. Maksimum adsorpsiyon kapasitesinin (Qrn3X) pHb 4.5 için 25., 40 ve 60 Cdeki değerleri sırasıyla 7.254, 7.109 ve 6.821 mg/g olarak tespit edilmiştir. Qri-,.3X'in pHb 5.3 için hesaplanan değerleri ise sırasıyla 9.205, 8.727 ve 6.268 mg/g'dır. Freundlich sabiti Kf'nin değerlen de sıcaklıkla azalmaktadır. pHb 4.5 için 25, 40 ve 60 öC'de hesaplanan Kf değerlen sırasıyla 1.841, 0.934 ve 0.392 mg/g iken, pHb 5.3 için hesaplanan değerleri ise 1.767, 1.205 ve 0.570 rng/g'dır. Proses için entalpi değişimi pHb 4.5 ve 5.3 için -42.94 ve -24.01 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Prosesin entalpi değişiminin negatif işaretli olması ve Omax ve Kf değerlerinin sıcaklıkla azalması, giderme prosesinin ekzoterm olduğunu göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Şeker pancarı küspesi, Karbonizasyon, Aktif karbon, Fosforik asit, Pb(ll) iyonlarının giderilmesi.SUMMARY Master Thesis PRODUCTION OF ACTIVATED CARBONS FROM SUGAR BEET PULP IMPREGNATED WITH PHOSPHORIC ACID, ITS CHARACTERIZATION AND USE IN ADSORPTION OF PU(II) IONS Gülüfer ÇAM University of Fırat Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemical Engineering 1999, Page 98 Activated carbon is one of the most common adsorbents used in the removal of microoollutants from aqueous media by adsorption. Although activated carbons were commercially produced from wood, antrasit, lignite and bitumnious coal, some agricultural by-products such as almond, apricot, hazelnut and coconut shells, olive and grape stones and sugar cane bagasse have also been used in the studies related to the production of activated carbons. As activation procedure can be done by passing water vapour and carbon dioxside on the starting materials carbonized, it can be also carried out by a carbonization process followed by the activation of starting materials by means of activating agents.VI In the study, the production of activated carbon was aimed from sugar beet pulp as starting material. The activation procedure was carried out by contacting 50 g of sugar beet pulp with 200 ml of phosphoric acid (30 %) for 24 hours. After the activation, the sugar beet pulp was carbonized at a fixed bed for times ranging from 90 to 300 rnin at different temperatures (300, 400 and 500 *C). After some characteristics of the activated carbon samples were determined, some of them were used in removal of Pb(ll) ions from aqueous solution. The yield of the activated carbons is, to a large extent, dependent upon the temperature and time of carbonization. The higher the temperature and time of carbonization, the less amount of the activated carbon produced is. The ash content of the activated carbons was changed in the range of 18.1 % to 24.2 %. Carbon contents of activated carbons produced by carbonization carried out at lower temperatures for shorter period of carbonization time were higher. However, the carbon content of activated carbons decreased with increase in the temperature and the time of carbonization. The amounts of acid insoluble inorganic matter of activated carbons are varies depending upon the carbonization conditions. The amount of acid insoluble inorganic matter of sample obtained by carbonization at 500 *C for 300 rnin was calculated as 14.7 %. This is the highest value determined. Iodine adsorption capacities of the activated carbons are quite high. Iodine number (IN) of the activated carbon obtained by carbonising sugar beet pulp at 500 *C for 300 mm is determined as 635.7 mg^/g. Surface areas of the activated carbons were determined both by means of liquid phase fenol adsorption and BET method. The values of surface areas calculated from either method increased with the increase in temperature and time of carbonization.VII By increasing time and temperature of carbonization, the removal yield of Pb(ll) ions by activated carbons obtained at different conditions increased. The most effective removal of Pb(ll) ions was provided by activated carbon samples obtained by carbonizing sugar beet pulp, which is impregerated with phosphoric acid, at 400 and 500 °C for 300 rnin. However, there is no important differences among the removal efficiency of Pb(ll) ions by two activated carbon samples mentioned above. For that reason, by taking into consideration the effect of high temperature on the cost of carbonization process, the activated carbon samples obtained at 400 °C for 300 rnin were used in the rest of study. When 100 ml Pb(ll) ions solution of 50 rng/1 was contacted with 0.25 g activated carbon (carbonized at 400 °C îor 300 mm) for 120 rnin at pHb 4.5 and 25 °C, 62.4 % of Pb(il) ions was removed. When the pHp was increased to 8.2 at same conditions, the removal yield was reached to 85.9 1. However, this pHp value is quite near the theoretical pH value at which Pb(ll) ions were precipitated in the form of hydroxide. To avoid the consumption of NaOH solution for adjusting initial pH of mixture (Pb(lf) solution and adsorbent], optimum initial pH for the process was selected as 4.5. This pH value is close the original pH (approximately 4.0-4.2) of the mixture. The equilibrium time for the removal process of Pb(ll) ions was determined as 120 rnin. Removal yield of Pb(ll) ions increased with increasing the dosage of activated carbon. However, the increase trend in the removal yield is more slew in respect to the increase in the dosage. As 56.0 % of Pb(ll) ions was removed from the solution of 20 rng/1 by using 1 g/1 adsorbent dosage, however, the removal yield was reached to 73.2 % when the dosage of adsorbent was increased 10 times. On the other hand, the results of experiments carried out at various temperatures (25, 40 and 60 °C) were applied to Langmulr and Freundlich isotherm equations, isotherm studies were performed at various pHD values (4.5 andVII 5.3). The constants calculated from isotherm equations showed that the removal yield of Pb(ll) ions decreased with rise in temperature of solution. Maximum adsorption capacities (Qmax) at 25, 40 and 60 °C for pHb 4.5 were calculated as 7.254, 7.109, and 6.821 rng/g, respectively. The values of Qmax for pHb 5.3 were 9.205, 8.727 and 6.268 mg/g. While the values of Kf at 25, 40 and 60 °C for pHb 4.5 were calculated as 1.841, 0.934 and 0.392 mg/g, respectively, the values of Kf at same temperatures for other pHb (5.3) were 1.767, 1.205 and 0.570 rng/g. Enthalpy changes for the process at pHb 4.5 and 5.3 were calculated to be -42.94 and -24.01 kJ/rnol. That enthalpy changes are negative and the values of Qm3X and Kf decrease with rise in temperature shows that the removal process is exothermic. Key Words: Sugar beet pulp, Carbonization, Activated carbon, Phosphoric acid, Pb(ll) ions removal.