ŞEKER PANCARI KÜSPESİNDEN AKTİF KARBON ELDE EDİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU VE CU(II) İYONLARININ ADSORPSİYONUNDA KULLANILMASI

Abstract

Yüksek Lisans Tezi Şeker Pancarı Küspesinden Aktif Karbon Elde Edilmesi, Karakterizasyonu ve Cu(II) İyonlarının Adsorpsiyonunda Kullanılması Muhammet Şaban TANYILDIZI Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı 1999, Sayfa 77 Atık su sistemlerinden ağır metallerin adsorpsiyonla uzaklaştırılmasında en çok kullanılan adsorbentlerden biri aktif karbondur. Aktif karbon ticari olarak odun, antrasit, linyit ve bitümlü kömürler gibi karbon içeriği yüksek maddelerden üretilmekle birlikte, badem ve kayısı çekirdeklerinin kabuklan, fındık ve hindistan cevizi kabukları, zeytin, şeftali ve üzüm çekirdekleri ile şeker kamışı bağası gibi bazı tarımsal yan ürünlerin de aktif karbon üretiminde kullanıldığı çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmada şeker endüstrisinin yan ürünü olan pancar küspesinin karbon dioksit akımında karbonize edilmesi ile aktif karbon üretimi amaçlanmıştır. Ayrıca hazırlanan aktif karbon örneklerinin bazı karakteristikleri belirlendikten sonra bu örnekler sulu çözeltilerden Cu(ü) iyonlarının adsorpsiyonunda kullanılmıştır. Karbonizasyon işlemi 50 gram pancar küspesinin sabit bir yatakta 15 ile 120 dakika arasında değişen sürelerde farklı sıcaklıklarda (350-750 °C) tutulması ile gerçekleştirildi. Pancar küspesinden aktif karbon elde edilme verimi karbonizasyon sıcaklığına ve süresine bağlı olarak azalmaktadır. Aktif karbon örneklerinin kül içeriği oldukça yüksektir. Hazırlanan aktif karbon örneklerinin sulu süspansiyonlarının pH'sı 8.55 -11.0n arasında değişmektedir ve yüksek sıcaklıkta uzun süreli karbonizasyonla elde edilen örneklerin pH değeri daha baziktir. Farklı şartlarda elde edilen aktif karbon örneklerinin iyot sayılan, karbonizasyon şartlarına bağlı olarak düzenli bir değişim göstermemektedir. Pancar küspesinin 400 °C'de 120 dakika süre ile karbonizasyonundan elde edilen aktif karbon örneğinin iyot sayısı 417.2 mg-Vg'dır. Bu tayin edilen en yüksek iyot sayısı değeridir. Elde edilen aktif karbon örneklerinin fenol adsorpsiyonu ile tayin edilen yüzey alanları karbonizasyon süresi ve sıcaklığı ile artmaktadır. Aktif karbon örneklerinin karbon içeriği karbonizasyon sıcaklığı ve süresine bağlı olarak azaldığı halde asitte çözünmeyen inorganik madde miktarı artmaktadır. Hazırlanan aktif karbon örnekleri ile Cu(II) iyonlarının adsorpsiyonunun incelendiği deneylerde, en etkin gidermenin pancar küspesinin 750 °C'de 120 dakika süre ile karbonizasyonundan elde edilen aktif karbon örnekleri (A-120-750) ile sağlandığı belirlenmiştir. Cu(II) iyonlarının adsorpsiyonu için optimum pH 5.30 olarak belirlenmiştir. Bu pH'da 50 mg/1'lik bakır çözeltisinin 1 g/l dozunda aktif karbonla 180 dakika süre ile oda sıcaklığında temas ettirilmesi sonucunda mevcut bakırın % 72.0'si giderilmiştir. Aynı şartlarda pH'mn 7.8'e çıkarılmasıyla bakır iyonlarının tamamı giderilmiştir. Ancak pH'mn 5.30'dan daha yüksek olduğu ortamlarda Cu(II) iyonları hidroksit halinde çökeceğinden, diğer adsorpsiyon parametreleri ile ilgili deneyler pH 5.30'da gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon prosesi için dengelenme süresi 180 dakika olarak tespit edilmiştir. Aktif karbon dozunun artırılmasıyla adsorpsiyon veriminin arttığı ve 3 g/l dozunda aktif karbonun (A-120-750) kullanılmasıyla 50 mg/l'lik çözeltideki bakırın % 99.6'sı giderilmiştir. Diğer taraftan 20, 40 ve 60 °C'de yapılan deneylerinin sonuçlan Langmuir ve Fruendlich izotermlerine uygulanmıştır. Hesaplanan izoterm sabitlerinden, bakır adsorpsiyon veriminin sıcaklıkla arttığı belirlenmiştir. Maksimum adsorpsiyon kapasitesinin (qmax) 20, 40 ve 60 °C'deki değerleri sırasıyla 63.69, 74.63 ve 78.12 mg/g olarak tespit edilmiştir. Kf'in değerleri qmax'a göre düşük olmakla birlikte, sıcaklıkla daha belirgin bir şekilde artmaktadır. Proses için entalpi değişimi, incelenen sıcaklık aralığında 8373.2 j/mol olarak hesaplanmıştır. Prosesin serbest enerji değişimi negatiftir ve değeri sıcaklığa bağlı olarak 21.1 1 ile 25.14 kj/mol arasında değişmektedir.m Sonuç olarak pancar küspesinden hazırlanan aktif karbonla sulu çözeltilerden Cu(II) iyonlarını etkili bir şekilde uzaklaştırmak mümkündür. İzoterm eşitliklerinden hesaplanan adsorpsiyon kapasitelerinin yüksek olması yukarıdaki düşünceyi teyit etmektedir. Ancak, karbonizasyon işlemlerinin yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilmesi maliyet yönünden önemli bir dezavantaj olarak değerlendirilebilir. Anahtar Kelimeler: Aktif karbon, Bakır, Adsorpsiyon, Şeker pancarı küspesi.IV SUMMARY Master Thesis Production of Activated Carbon From Sugar Beet Pulp, Its Characterisation and Use in Adsorption of Cu(II) Ions Muhammet Şaban TANYILDIZI Fırat University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemical Engineering 1999, Page 77 Activated carbon is one of the adsorbents used widely in the removal of heavy metals from wastewater systems. Although activated carbons were commercially produced from wood, anthracite, lignite and bituminous 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 for this purpose. In this study, the production of activated carbon was aimed by carbonizing sugar beet pulp, which is a by product of sugar industry, in carbon dioxide flow. In addition, after some characteristics of prepared activated carbons were determined, these samples were used in adsorption of Cu(II) ions from aqueous solutions. Carbonization procedure carried out in a fixed bed where 50 gram of sugar beet pulp was carbonized for the times ranging from 15 to 120 min at different temperatures (350- 750 °C). The yield of activated carbon from sugar beet pulp was decreased depending on the rise in time and temperature of carbonization process. The ash content of activated carbon samples is quite high. The pH of aqueous suspensions of prepared activated carbons changed in the range of 8.55-11.0 and the pHs of samples obtained by longperiod carbonisation at elevated temperatures are higher. Iodine number (IS) of activated carbon samples does not show a regular change depending upon carbonisation conditions. Iodine number of activated carbon obtained by carbonising sugar beet pulp at 400 °C for 120 min is 417.2 mg-Iî/g. This is the highest value of iodine number determined. Surface area of activated carbons, which is determined by phenol adsorption, increased by increasing time and temperature. Although the carbon contents of activated carbons were decreased with a rise in temperature and time of carbonization, amount of acid insoluble inorganic material was increased. In the experiments that the adsorption of Cu(II) ions was examined, the most effective removal was provided by activated carbons (A- 120-750) obtained from sugar beet pulp carbonised at 750 °C for 120 min. Optimum pH for Cu(II) ions was determined as 5.30. At this pH, by contacting Cu(II) solution of 50 mg/1 with activated carbon (A-120-750) the dosage of which is 1 g/L, 72.2 % of present Cu(II) ions was removed (at room temperature for 180 min.) at the same conditions. When the pH of mixture was raised to 7.8, the removal percentage of Cu(II) ions reached to 100 %. However, since Cu(II) ions may precipitat in the form of hydroxide at the pHs higher than 5.30, the experiments related to other parameters of adsorption were carried out at pH 5.30. The equilibrium time for the adsorption process of Cu(II) ions was determined as 180 min. Adsorption yield increased with increasing the dosage of activated carbon and when the dosage of 3 g/1 was used, the removal yield of Cu(H) ions reached to 99.6 % for the Cu(ü) solution of 50 mg/1. On the other hand, the results of the experiments carried out at 20, 40 and 60 °C were applied to Langmuir and Freundlich isotherms. The constants calculated from isotherm equations showed that the adsorption yield of Cu(II) ions was increased with rise in temperature of solution. Maximum adsorption capacity (qmax) were calculated as 63.69, 74.63 and 78.12 mg/g at 20, 40 and 60 °C, respectively. Although the values of Kf are lower compared to the values of qmax, the increase in their values with temperature is more outstanding. Enthalpy change for the process was calculated to be 8373.2 j/mol at the temperature intervals examined. The free energyVI change is negative and its value changed in the range of 22.11-25.14 depending upon the temperature. As a consequence, activated carbons obtained from sugar beet pulp may be effectively used in the adsorption of Cu(II) ions from aqueous solutions. That the adsorption capacities calculated from isotherm equation are high, confirms the deduction mentioned above. However, that the carbonization of sugar beet pulp have been carried out at high temperature is disadvantageous in point of cost. Key Words: Activated carbon, Copper, Adsorption, Sugar beet pulp.