Pellet Aktif Karbonun En Çok Kullanıldığı Sektörler

Etken Karbon

Yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbanlar içinde çevre kirliliğini denetim amacıyla, şu anda kullanılan adsorbanların en önemlisi, yüksek gözenekliliğe haiz etken karbonlardır. Ticari olarak etken karbonlar, odun, turba, linyit, kömür, mangal kömürü, kemik, Hindistan cevizi kabuğu, pirinç kabuğu, fındık kabuğu ve yağ ürünlerinden elde edilmiş karbonların çeşitli işlemlerden geçirilerek aktive edilmesiyle elde edilirler.

1900’ lü yılların başlangıcında, şu anki etken karbon üretiminin temelini oluşturan patentler yayınlanmıştır. Bu patentler, bugün bile hala geçerli olan etken karbon üretiminin iki temel prensibini açıklamaktadır. Bunlar kimyasal aktivasyon ve gaz aktivasyonudur. 1920 yılından sonrasında, ilk olarak, etken kömür su arıtılmasında kullanılmaya başlanmış, fakat yaygın bir kullanım sağlanamamıştır. Sadece, 1927 senesinde Almanya’da içme suyundaki klorofenol kokusu büyük sorun yarattığından, kent suyunun hazırlanması esnasında etken karbon kullanımı da büyük ehemmiyet kazanmıştır. Etken karbon, 1929 senesinde Hamm Water Works’da granüler formda, bundan bağımsız olarak 1930’da Harrison tarafınca Michigan Bay City’de, gene 1929 senesinde Spalding tarafınca içme suyundaki kokuların uzaklaştırılması amacıyla toz halinde kullanılmıştır. 1932 yılına gelindiğinde ABD’da 400 yapınak, 1943 senesinde ise ortalama 1200 yapınak istenmeyen kokuların kontrolünde etken karbonu kullanmıştır.

Etken Karbon’un Genel Özellikleri

Etken karbon, büyük kristal formu ve oldukça geniş iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanlar ailesini tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Etken karbonlar, insan sağlığına zararsız, kullanışlı ürünler olup, oldukça yüksek bir gözenekliliğe ve iç yüzey alanına sahiptirler (5).Etken karbonlar, çözeltideki molekül ve iyonları gözenekleri vasıtasıyla iç yüzeylerine doğru çekebilirler ve bu yüzden adsorban olarak adlandırılırlar.

Yüzey Alanı

Etken karbonun iç yüzeyi(aktifleştirilmiş yüzey) çoğunlukla BET yüzeyi olarak (m2/g) anlatılır. Yüzey alanı azot (N2) gazı kullanılarak ölçülür. Su arıtımında kullanılan etken karbon taneciklerinin iç yüzey alanının ortalama 1000 m2/g olması istenmektedir. Kirlilik oluşturan maddeler, etken karbonun yüzeyinde tutulacağından, yüzey alanının büyüklüğü kirliliklerin giderilmesinde oldukça etkili bir faktördür. Ilke olarak, yüzey alanı ne kadar büyükse, adsorpsiyon merkezlerinin sayısının da o denli büyük olduğu düşünülür. Literatürde bulunan etken karbonun yüzey alanı ve gözenek sistemi ile ilgili sayısal değerler aşağıda verilmiştir;

Etken karbonun yüzey alanı ve gözenek sistemi ile ilgili sayısal değerler.
Yüzey alanı: 400-1600 m2/g (BET N2)
Gözenek hacmi: >30 m3/100g
Gözenek genişliği: 0,3 nm-1000 nm

Karbon taneciğinin yüzeyi gaz, sıvı ve katı maddeleri çeker ve yüzeyde ince bir film tabakası oluşturur, şu demek oluyor ki adsorbe eder. Etken karbonun adsorban olarak tercih edilmesinin başlıca iki sebebi vardır. Bunlar;

  • Belirli maddeleri çekebilmesi için çekici bir yüzeye,
  • Fazla oranda maddeyi tutabilmesi için geniş bir yüzeye haiz olmasıdır.
Gözenek Büyüklüğü

Kirliliğin giderilmesinde etkili olan öteki bir parametre de gözenek büyüklüğüdür. Gözenek büyüklüğünün belirlenmesi, karbonun özelliklerinin anlaşılmasında oldukça kullanışlı bir yöntemdir. Gözenekler silindirik yada konik şeklinde olabilir. Etken karbonun gözenek yapısını gösteren ve Taramalı Elektron Mikroskobu ile çekilen fotoğraf aşağıda verilmiştir.

aktif-karbon1

Biçim 1: Etken karbonun gözenek yapısı. Fotoğraf TEM ile alınmıştır.

Adsorpsiyon için gözenek yapısı, toplam iç yüzeyden daha mühim bir parametredir. Gözeneklerin büyüklükleri, uzaklaştırılacak olan kirliliklerin tanecik çaplarına uygun olmalıdır. Bundan dolayı, karbon ve adsorplanan moleküller arasındaki çekim kuvveti, molekül büyüklüğü gözeneklere yakın olan moleküller içinde daha büyüktür.

The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adsorbanlar için gözenek büyüklüğünü yarıçaplarına nazaran dörde ayırmıştır;

  • Makro gözenekler(r > 25 nm)
  • Mezo gözenekler (1 < r < 25 nm)
  • Mikro gözenekler(0,4 < r < 1 nm)
  • Submikro gözenekler(r < 0,4 nm) olarak sınıflandırılabilirler.(Biçim 2)
aktif-karbon2

Biçim 2: Şematik olarak etken karbon modeli

Adsorpsiyon ve desorpsiyon için mühim olan etken karbon gözenek sistemi, Biçim 2 de şematik olarak gösterilmiştir. Mikro gözenekler iç yüzeyin mühim bir kısmını teşkil ederler (~%95). Makro gözenekler ise adsorpsiyon için nispeten mühim olmamakla beraber, sadece mikro gözeneklere doğru difüzyonun süratli olması için iletici olarak gereklidirler(6). Makro gözenekler molekülün etken karbon içine girmesini, mezo gözenekler daha iç bölgelere doğru taşınmasını sağlarken, mikro gözenekler ise adsorpsiyon vakası için kullanılırlar.

Etken Karbon Türleri

Atık su işlemleri için günümüzde kullanılan en iyi etken karbonlar çeşitli kömürlerden ve naturel 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 edilmiş etken karbonlar çoğu zaman sert ve yoğundur. Suda bozunmadan uzun süre kullanılabilirler. Etken karbonlar değişik özelliklere haiz şekillerde üretilebilirler. Bunlar;

  • Toz halindeki etken karbonlar,
  • Granüle etken karbonlar,
  • Pelet halindeki etken karbonlardır.

Karbonun kimyasal aktivasyonu sonucu, toz haldeki etken karbonlar elde edilirler. Bu karbonlar, günümüzde atık suların temizlenmesi işlemlerinde en oldukca kullanılan etken karbonlardır. Gaz aktivasyonu ile meydana getirilen granüle ürünler ve peletler daha ziyade gazların saflaştırılmasında kullanılırlar. Sadece granüle haldeki etken karbonların da atık su işleme sistemlerinde oldukça iyi sonuçlar verdiği belirtilmektedir. Granüle ve toz haldeki etken karbonlar organik ve inorganik maddelerin uzaklaştırılmasında muhteşem sonuçlar vermektedir. Bu etken karbonlar biyolojik olarak işlem görmüş atık suları ve organik kaynaklı endüstriyel atıklar içeren atık suları temizlemek için de senelerdir kullanılmaktadır.

Aktivasyon Teknikleri

Etken karbon üretimi için, karbonca yoksul olmayan tüm maddeler, çeşitli aktifleştirme yöntemleriyle aktifleştirilerek kullanılabilirler. Bu aktifleştirme şekilleri kimyasal aktivasyon ve gaz aktivasyonu olmak suretiyle ikiye ayrılır.

Kimyasal Aktivasyon

Bu teknik çoğu zaman turba ve odun temel kaynaklı pişmemiş materyallerin aktivasyonu için kullanılır. Pişmeden materyal çinko klorür, fosforik asit yada potasyum hidroksit ile doyurulur. Hemen sonra karbonu aktive etmek için 500-800 °C sıcaklığa kadar ısıtılır. Aktive edilen karbon yıkanır, kurutulur ve öğütülerek toz haline getirilir. Kimyasal aktivasyon sonucu oluşturulan etken karbonlar, çoğu zaman büyük moleküllerin adsorpsiyonu için kullanılırlar ve oldukça geniş gözenek yapısı sergilerler.

 Gaz Aktivasyonu

Bu aktivasyon tekniği çoğu zaman kömür ve meyve kabuklarının aktivasyonunda kullanılır. Pişmeden materyal ilk olarak karbonizasyon olarak adlandırılan ısıl bir işleme doğal olarak tutulur. Bu işlem gözenekleri ufak olan karbonlu bir ürün oluşmasına destek verir. Hemen sonra bir inert gaz atmosferinde ve 800-1100°C ısı aralığında aktivasyon işlemi gerçekleştirilir. Böylece, başlangıçta karbonizasyon ile oluşturulan ara materyal, aşağıda verilen su-gaz reaksiyonu ile gaz fazına dönüştürülerek mevcut gözenekler genişletilir ve sayıları artırılır.

C + H20 ® CO + H2 -175,440 kJ/(kilogram mol)
Bu tepki endotermiktir ve tepki için ihtiyaç duyulan ısı, kısmen oluşan CO ve H2’nin yanması ile korunur.
2CO + O2 ® 2CO2 + 393,790 kJ/(kilogram mol)
2H2 + O2 ® 2H2O + 396,650 kJ/(kilogram mol)

Elde edilmiş etken karbon sınıflandırılır ve elenip tozu giderilerek kullanıma hazır hale getirilir. Gaz aktivasyonu ile elde edilmiş etken karbonlar da kimyasal aktivasyondan elde edilenler benzer biçimde iyi bir gözenek yapısı sergilerler. Hem sıvı hem de gaz fazdan molekül ve iyonların adsorpsiyonu için etkin bir halde kullanılırlar.

Adsorpsiyon

Adsorpsiyon, bir yüzey yada ara kesit üstünde bir maddenin birikmesi ve derişiminin artması olarak tanımlanmaktadır(7). Tanımda kullanılan ara yüzey bir sıvı ile bir gaz, katı yada bir başka sıvı arasındaki temas yüzeyi olabilir. Başka bir tanımlama ile adsorpsiyon, yüzeye saldırma kuvvetlerinden dolayı moleküllerin yüzeye yapışması vakasıdır.Çözünmüş bir bileşiğin etken karbon tarafınca adsorpsiyonu üç adımda gerçekleştiği belirtilmektedir ;

  • Adsorbanın dış yüzeyine adsorplanan maddenin taşınması,
  • Dış yüzeyde oluşan adsorpsiyonun ufak bir miktarı hariç, karbonun gözeneklerine adsorplanan maddenin difüzyonu,
  • Adsorbanın iç yüzeylerinde çözeltinin adsorpsiyonu.

Gene başka bir kaynakta adsorbsiyon üç temel adımda oluştuğu belirtilmektedir. Bu adımlar;

  • Film difüzyonu: Adsorplanacak olan çözünen moleküller karbon partiküllerinin içine girerek yüzey filmi oluştururlar.
  • Gözenek difüzyonu: Karbon gözeneklerinden, adsorpsiyon merkezine çözünen moleküllerin göçünü ihtiva eder.
  • Karbon Yüzeylerine Çözünen Moleküllerin Yapışması: Çözünen molekül, karbon gözenek yüzeyine bağlandığında tutunma meydana gelir.
Adsorpsiyon Çeşitleri

Etken karbon üstünde meydana gelen adsorpsiyonun üç değişik süreçte olabileceği belirtilmektedir (9).

Fizyolojik Adsorpsiyon

Eğer adsorpsiyon bir yüzeydeki dengelenmemiş Van Der Waals kuvvetleri yardımıyla gerçekleşiyorsa, buna fizyolojik adsorpsiyon denir. Bu tip adsorpsiyon termodinamik anlamda tersinirdir. Düşük adsorpsiyon ısısı ile karakterize edilir ve adsorpsiyonun derecesi ısı yükseldikçe azalır.

Kimyasal Adsorpsiyon

Yüzey moleküllerinin değerlik kuvvetleri sebebiyle yüzey üstünde adsorplanan maddenin monomoleküler tabakası ile bir kimyasal bağın oluşmasından doğar. Adsorpsiyon yüksek ısı gerektirir ve termodinamik anlamda tersinir değildir. Isı oldukca yükselirse fizyolojik adsorpsiyon vakası kimyasal adsorpsiyona dönüşebilir (10).

Elektrostatik Adsorpsiyon

Etken karbon üstüne çözeltilerin adsorplanmasından görevli elektriksel çekim kuvvetlerinin tesiri olarak tanımlanır. Ek olarak negatif yüklü karbon partikülleri ile pozitif yüklü adsorplanan moleküller yada iyonlar arasındaki elektriksel çekim difüzyon esnasında ortaya çıkan engelleri azaltır ve bu yüzden de adsorpsiyonun verimliliğini artırır.

Adsorbanın Geri Kazanılması

Adsorban yüzeyine moleküller adsorplandıkça yeni moleküllerin adsorpsiyonu için daha azca yer kalır ve sonuçta adsorban etkin adsorpsiyon hususi durumunu kaybeder. Adsorbana etkin adsorpsiyon hususi durumunu tekrardan kazandırma işlemine ‘‘geri kazanım’’ denir. Etken karbonun fizyolojik kuvveti geri kazanım süreci süresince dayanabilecek büyüklükte olmalıdır. Sadece zaman içinde ısısal yayılma, büzülme ve nihayet yapının parçalanması sebebiyle azca bir miktar etken karbon kaybolur yada oksitlenir.

Katı Faz Üstünde Adsorpsiyon Desorpsiyon İşlemleri

Adsorpsiyon, meydana getirilen öteki tanımların yanı sıra, bir katı adsorbanın bağlı yüzeyinde adsorplanmak suretiyle çözünen maddelerin zenginleştirilmesidir. Etken merkez olarak adlandırılan adsorbanın yüzeyi üstünde yer edinen atomlar arasındaki bağ kuvvetleri tamamen doyurulmamıştır. Bu etken merkezlerde yabancı moleküllerin adsorpsiyonu yer alır. Adsorban üstünde adsorplanmış bir madde, kendisine oranla daha şiddetle adsorplanan bir madde tarafınca yer değiştirir. Yer değiştiren madde karbon tarafınca desorplanır yada özgür bırakılır. Bu vaka daha oldukca tercih edilen türlerin adsorpsiyonu süresince devam eder. Kimyasal adsorpsiyon, adsorplanan maddenin fonksiyonel gruplarından dolayı oluşur ve adsorban kesin bir bağ oluşturmak için etkileşir. Desorpsiyon vakası, kimyasal olarak adsorplanan maddelerden daha oldukca fizyolojik olarak adsorplanan maddeler için daha uygundur. Katı faz üstündeki adsorpsiyon ve desorpsiyon işlemleri Biçim 3 de şematik olarak gösterilmiştir.

YORUMLAR

Bir cevap yazın