Zeytin çekirdek atıklarının aktif karbona dönüşümü amaçlı sistem tasarımı

Karbon ayak izi bir bireyin, kurumun veya bir topluluğun sera gazı salınımının miktarını ifade eder. Karbon ayak izini azaltmak, çevre sağlığını korumak açısından önemlidir. Yeşil üretim yöntemleri ve atıkların minimize edilmesiyle karbon salınımının azaltılması mümkündür. Yeşil üretim, doğa dostu malzemelerin kullanılması, enerji verimliliğinin artırılması ve atıkların uygun şekilde berataraf edilmesi yöntemleri ile gerçekleştirilir. Evsel ve endüstriyel atıkların doğru bir şekilde bertaraf edilmesi çevrenin korunmasına yardımcı olur. Organik atıkların ayrı bir şekilde bertaraf edilmesi, geri dönüşümünün sağlanması ve yeniden kullanılması da çevre için önemlidir. Organik atıklar, ceviz kabuğu, fındıkkabuğu, fındık zürufu, mısır koçanı, pirinç kabuğu, çay atığı, pirina, meyve suyu posası, zeytin çekirdeği, arıtma çamuru, dökülmüş ağaç yaprakları gibi hem evsel hem de endüstride kullanım sonrası oluşan atıklardır. Bu atıkların çevreye zarar vermeden bertaraf edilmesi atığın geri kazanılması ile mümkündür. Bu sebeple çevreye zarar vermeden atıkları geri kazanmak için geliştirilen birçok yöntem literatürde mevcuttur. Organik atıkların yapısında C, H, O, N ve S bulunması sebebiyle bu atıklar enerji üretiminde kullanılmaktadır (ısı, yakıt, elektrik). Söz konusu geri kazanım yöntemlerinden biri de organik atıktan aktif karbon (AK) üretimidir. Aktif karbon (AK), amorf ve oldukça geniş mikro kristalografik yapıdan oluşmuş, kuvvetli çekim gücüne sahip bir adsorbandır. Aktif karbonun gözenekli yapısı, çeşitli moleküllerin içine girebileceği ve bu molekülleri yüzeyine adsorbe edebileceği mikroskobik boşlukları ifade eder. Gözenekli yapısı, aktif karbonun büyük yüzey alanına sahip olmasını sağlar. Bu gözenekler, aktif karbonun iç yapısında bulunan mikro, mezo ve makro gözenekler şeklinde çeşitli boyutlarda olabilir. Bu çeşitli gözenek türleri, aktif karbonun adsorpsiyon yapma yeteneğini artırır. Aktif karbon, bu özelliği sayesinde sıvı veya gaz fazındaki birçok organik ve inorganik bileşiği çekebilir. Bu adsorpsiyon özelliği, aktif karbonun su arıtma, hava arıtma, kimyasal işlemler, endüstriyel süreçler, tıp, farmasötik ve gıda endüstrisi gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılmasının temel nedenlerinden biridir. Aktif karbon ceviz kabuğu, fındıkkabuğu, fındık zürufu, mısır koçanı, pirinç kabuğu, çay atığı, pirina, meyve suyu posası, zeytin çekirdeği gibi tarımsal kökenli atıklardan üretilebilen bir malzemedir. Aktif karbon üretimi, hammaddenin yüksek sıcaklık ve asal bir atmosfer sürecinden geçirilmesiyle gerçekleştirilir. Bu süreçte hammadde, fiziksel ve/veya kimyasal aktivasyon ile aktive edilerek, atıktan yüksek oranda gözenekli bir yapıya sahip aktif karbon elde edilmiş olur. Bu sayede atıkların doğaya zarar vermesi önlenirken aynı zamanda ekonomik bir kaynakta elde edilmiş olur. Ülkemizde hemen hemen her alanda aktif karbon kullanılmakta olmasına rağmen ticari olarak faaliyet gösteren bir aktif karbon üretim tesisi bulunmamaktadır. Bundan dolayıdır ki ülkemizdeki aktif karbon üretimine uygun biokütle kaynaklarının miktarve mevcut durumunun belirlenmesi ve bu atıklardan aktif karbon üretimi için en uygun prosesin ortaya koyulması önemli bir ihtiyaçtır. Bu doktora tez projesinde zeytin çekirdeklerinden (ZÇ) fiziksel aktivasyon yöntemiyle ticari aktif karbona eşdeğer ürün üretilmesine odaklanılmıştır. Literatürde ZÇ daha çok kimyasal yöntemlerle işleme tabi tutularak AK'a dönüştürülmüştür. Fiziksel aktivasyon kimyasal aktivasyona kıyasla daha çevreci bir yöntem olması nedeniyle bu çalışmada tercih edilmiştir. Dinamik ortamda, tek aşamalı ve CO2 gazının kullanıldığı fiziksel aktivasyonla AK üretim denemeleri ile ilgili yaklaşıma ulaşılabilen literatürde rastlanmamıştır. Bu kapsamda üretim süreç yaklaşımları ile bu çalışma özgün bir içerik sunmaktadır. Kullanılan parametreler, sıcaklık, tane boyutu, gaz cinsi, statik ve dinamik olmak üzere fırın tipidir. Sentezlenen AK'a SEM, BET, XRD, FTI-R, RAMAN ve elementel analiz testleri uygulanarak nitelikli ürün elde edilmesine yönelik optimum koşullar belirlenmiştir. Bu amaçla üretilen AK, geleneksel üretim yöntemlerine alternatif metot olan tek basamaklı üretim yaklaşımı ve ayrıca dinamik fırın sistemi ile de üretim denemeleri gerçekleştirilmiştir. Hammadde 70 oC'de kurutulduktan sonra öğütülerek tane boyutuna göre tasniflenmiştir. 1-3 mm ve 0,15 mm boyutlarındaki hammaddenin, 500 ile 1000 oC aralığında belirli sürelerde azot (N2) ve/veya karbondioksit (CO2) gazı altında karbonizasyon ve/veya aktivasyonu gerçekleştirilmiştir. Geleneksel yöntemde, hammadde (zeytin çekirdeği) belirli sıcaklık, süre ve gaz akışı altında işlenerek bir çara dönüştürülür. Ardından, bu çar, fırın sıcaklığı artırılarak aktivasyon aşamasına geçilir. Aktivasyon sürecinde ise belirli sıcaklık, süre ve gaz akışı altında çar, nihai ürün olan aktif karbona dönüştürülür. Öte yandan, tek basamaklı metot, hammaddenin tek bir sıcaklık ve gaz akışında belirli süreler boyunca işlem gördüğü bir yöntemi ifade eder. Bu yöntemde, aktivasyon ve karbonizasyon aynı anda gerçekleştirilir, bu da işlem süresini kısaltır ve verimliliği artırır. Her iki yöntem ile optimum şartlar oluşturmak için deneysel çalışmalarda hem statik hem de dinamik tip fırın kullanılmıştır. Sonuç olarak aktif karbon üretiminde hem geleneksel hem de tek basamaklı üretim metodu kullanılmış ve iki fırın tipinin kıyası yapılarak optimum koşullar oluşturulmuştur. Bu bağlamda tek basamaklı üretim metodu ile elde edilen aktif karbonların gelişmiş gözenekliliğe ve geniş yüzey alanına sahip olduğu ortaya konulmuştur. Sentezlenen aktif karbonların yüzey alanları 350 ila1313 m2/g arasında elde edilmiştir. Hem statik hem de dinamik tip fırın sisteminde ticari aktif karbona eşdeğer ürün elde edilmiştir. Nitelikli aktif karbonlar, dinamik tip fırında 800 ve statik tip fırında 900 oC sıcaklıkta 3 saat CO2 akışında bekleyen hammaddelerden elde edilmiştir. Elde edilen bulgulara göre dinamik sistemde statik sisteme göre daha düşük bekleme süresinde daha iyi yüzey alanı elde edildiği sonucuna varılmıştır. Ürün nitelikleri incelendiğinde dinamik sistem ile daha düşük sıcaklıkta ticari aktif karbona eşdeğer ürün elde edildiği görülmektedir. Yüksek sıcaklık, hammadde yapısındaki organik ve inorganik maddelerin yapıyı hızlıca terk etmesine, dolayısıyla verimde düşüşe ve elde edilen üründe boşluk (gözenek/por) oluşumuna neden olmaktadır. Bununla birlikte sıcaklığın gereğinden fazla artması gözenek çökmesine ve verimde düşüşe sebep olmuştur. Bu çalışmada karbonizasyon ve aktivasyon süreçlerinde gaz cinsinin etkisi belirlenmiş ve CO2 moleküllerinin yüksek sıcaklık ve belirli bir akışta karbon yüzeyine adsorbe edilerek karbonun yüzey alanını artırdığı ortaya konmuştur. Deneylerde zeytin çekirdeğinin iki farklı boyutu kullanılmıştır (0,15 mm ve 1-3 mm). Yapılan deneysel çalışmalar gösteriyor ki kullanılan hammaddenin tane boyutu küçüldükçe genel olarak yüzey alanı da artmaktadır. Sıcaklık artışıyla da (belirli bir sıcaklığa kadar) elde edilenaktif karbonların yüzey alanında belirgin bir artış görülmektedir. Statik sistemle yapılan deneysel çalışmalarda küçük taneli (0,15 mm) ürünlerde özgül yüzey alanının daha geniş olduğu ortaya koyulmuştur. Bu sebeple dinamik sistem ile yapılan çalışmalarda 0,15 mm tane boyutundaki hammadde ile deneylere devam edilmiştir. Yapılan test ve analizler sonucunda, N2 gazının karakteristik açıdan nihai ürüne belirgin bir etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Bu bulgu, karbonizasyon aşamasında N2 gazının kullanımının, geleneksel metotla üretilen bu malzemenin (AK) özellikleri üzerinde belirgin bir değişiklik yapmadığını göstermektedir. Bu nedenle, dinamik sistemde sadece CO2 gazı kullanılarak çalışılmıştır. Çalışmanın diğer bir önemli çıktısı CO2 ile yapılan aktivasyon işleminde geniş bir mikro gözenekliliğe ulaşılabiliyor olmasıdır. Bu gazın kullanımı ile aynı zamanda üretim maliyeti açısından da önemli avantajların sağlanabileceği değerlendirilmiştir. Mikro gözenekliliğe sahip AK'ların adsorpsiyon yeteneği artmakta ve daha etkili bir adsorban haline gelmekte olduğu literatürde raporlanmaktadır. Bu malzeme (AK), endüstriyel atık gazların arıtılması, su arıtımı, pillerde katot malzemesi ve kimyasal prosesler gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kapsamda bu çalışmada elde edilen ürünlerden bir tanesi Li-O2 (Li-hava) pillerinde katot malzemesi olarak kullanılabilirliği test edilmiş ve başarılı bir sonuç elde edilmiştir. Bu tez çalışması ile zeytin çekirdeklerinden üretilecek karbonların (karbon siyahı ve/veya aktif karbonların) üretim akış diyagramının oluşturulması ve teknolojik / endüstriyel ürün maliyet analizi konusunda da bir deneme çalışması yapılarak tez sonucu nitelikli sunulmuştur.