Aktif Karbon

Aktif Karbonun Kullanım Alanları

1.Bölüm: Giriş

1.Giriş

Arındırma işlemindeki ana sorun arındırılması istenilen zararları maddelerin çok küçük yoğunluklarda bulunmasıdır. Kirlenmiş suda zararlı maddelerin yoğunluğu on milyon ile bir milyar molekül arasında değişmektedir. Kirlenmiş havada bu oran oldukça düşüktür. Burada on bin ile bir milyon arasında oksijen veya karbondioksit molekülü bulunmaktadır.

Adsorpsiyon (soğurma)’un buradaki amacı büyük hacimli havadaki veya sudaki nispeten düşük orandaki zararlı maddelere ulaşmaktır. Ancak düşük yoğunluğu zararlı maddeler arındırılabilir.

Teknik olarak pratikte genel olarak başlıca maddeler adsorpsiyon işleminde kullanılmaktadır:

• Aktif karbon

• Aktif kil

• Silika jeli

• Yapay olarak Zeoliten ve taş kömüründen elde edilen moleküler elek

Tesisat alanında zararlı maddelerin adsorpsiyonunda ağırlıklı olarak aktif karbon kullanılmaktadır. Aktif karbon nispeten suyun kendisini kötü adsorbe etmektedir.

Adsorpsiyonun esas etki aktif karbonun yüzeyindeki efektten kaynaklanmaktadır. Zararlı maddeler yüzeyde yoğun olarak hapsedilmektedir. Prensip olarak bunu bütün yüzeylerde yapmaktadırlar. Adsorpsiyon için kullanılan maddelerin avantajları çük büyük bir yüzeye sahip olmalarından kaynaklanmaktadır, böylece çok büyük miktarlarda zararlı maddeleri bağlayabilirler. Büyük yüzey alanı partiküllerin dışında değil içinde bulunması gerekmektedir, bunu aşağıdaki karşılaştırmada görebiliriz:

Her bir kenarı 1cm olan bir karbon küpü 2,2 g ağırlığındadır. 6 adet alana sahip olduğundan 6 yüzey x 1 cm x 1cm = 6 cm² alana sahiptir. Eğer bu küpü 1.000 adet küçük küplere bölecek olursak, 1.000 ad. küp x 6 yüzey x 1mm x 1mm = 60 cm². sonra 1.000 adet küp parçacıkları toza dönüştürülmektedir. Şimdi yüzeyleri: 10⁹ ad. küp x 6 yüzey x 10 m x 10 m = 6.000 cm² bu da 0,60 m² olmaktadır. Buna karşılık aynı miktardaki aktif karbonun iç yüzey alanı 2.000 m² olmaktadır.

2.Genel olarak aktif karbon

Aktif karbon yapay olarak üretilen gözenekli süngerimsi yapıya sahip bir karbon grubuna verilen genel bir addır. Mikroskopla yapılan 300 katlık bir büyültmede Hindistancevizi kabuğunun aktif karbon hali, organik maddenin orijinal hücresel yapısının tanınmasını sağlamaktadır. Aktif karbonun moleküler yapısı grafiksel yüzeylerden ancak birkaç atom genişliğindedir. Hexagonal C-Bağları genellikle bozuktur. Bu yapı eksikliğinden dolayı C-bağlarının bozuk olan yerlerinde çeşitli reaksiyon seçenekleri bulunmaktadır.

Gözenekler çaplarına göre şu şekilde sınıflandırılmaktadır:

• 1 nm’den daha küçük yarıçapa sahip mikro gözenekler

• 1-25 nm arasındaki yarıçapa sahip meso gözenekler

• 25 nm’den büyük yarıçapa sahip makro gözenekler

Hindistancevizi kabuğundan üretilen aktif karbonların çoğu mikro gözeneklerden oluşmaktadır.

Aktif karbon su ve havadaki organik maddeleri adsorbe ederek, organik maddelerle kirlenmiş suyu ve kirlenmiş havayı temizler. Zararlı maddeler aktif karbon tarafından tutulmaktadır. Adsorbsiyon tersine çevrilebilen bir süreçtir, zararlı maddeler desorbsiyon veya reaktivasyonla aktif karbondan uzaklaştırılabilirler.

3.Aktif Karbonun Üretimi ve Kullanım Alanları

Aktif karbon tezek, taş kömürü, linyit kömürü, odun ve fındık kabuğundan üretilmektedir. Bu ürünler ilk önce kömürleştirilmektedir; bu işlem sırasında çok küçük gözenekler oluşmaktadır. Aktif gözenekler çeşitli komponentlerden (hidrojen, oksijen, azot, kükürt vb.) uzaklaştırılmaktadır. Bu sırada ince gözenekleri tıkayan katranımsı maddeler uzaklaştırılarak karbonun konstrüksiyonu serbest kalır. Bu işlem 900 ile 1.100^oC sıcak su buharının yarı mamüle etki etmesiyle gerçekleşir. Bu sırada karbon ile su arasında bir oksidasyonel bir reaksiyon oluşur, hatta bu reaksiyon karbonun iç yüzeylerinde gözeneklerdeki karbonları bile uzaklaştırmaktadır:

C + H₂O => CO + CO₂ + H₂

Aktif karbon çeşitli maddelerin üretilmesinde de kullanılmaktadır, örneğin şekerin üzerindeki kahverenginin temizlenmesi; aynı şekilde evsel yağlar, alkol ve sabun da temizlenmektedir. Aktif karbon aynı zamanda kanın temizlenmesinde yani böbrek hastalarının diyalizinde de kullanılmaktadır.

Aktif karbon çok uzun zamandır kullanılmaktadır. Tıbbın babası olarak adlandırılan Hippokrates bile 2.500 yıl önce hastalarına hafif aktifleştirilmiş kömür vermekteydi. Günümüzde bile halen mide ve bağırsak rahatsızlıklarında kullanılmaktadır.

Aktif karbon ilk defa bilimsel olarak 1785 yılında Lowitz’in çözünmüş maddelerin adsorpsiyonunu keşfettiğinde kullanılmıştır.1812 yılında Susurre çeşitli gazların adsorbe deneyleri hakkında bilgi vermekte, hatta adsorbsiyonun ısıl gelişimini tanımlamaktadır. 19.yy. başlarında Fusinieri ve Bellani havasız çalışan bir mükemmel barometre yapma girişimleri sırasında, katı cisimlerin yüzeylerinde gaz tabakalarının olduğunu bulmuşlardır. 1876 yılında Gips termodinamiğin yardımıyla adsorpsiyon yasasının temellerini oluşturmuştur. 20.yy.’da adsorbsiyon mekanizması (Ostwald-Boedecker-Freundlich Denklemi; Langmuir’in Moleküler Davranışın Kuramı; Brunauer-Emmet-Teller’in Çok Katmanlı Adsorpsiyon [BET] Denklemi)’nin matematiksel olarak tanımlanmıştır. İlk defa 1923 yılında Bayer AG tarafından teknik anlamda büyük ölçekli olarak Alkol ve Benzol buharı adsorbe edilmiştir.

Aktif karbon ilk defa geniş kapsamlı olarak 1.dünya savaşı sırasında kimyasal silahlarda kullanılan klor, hardal gazı ve Phosgen’in temizlenmesinde gaz maskelerinde kullanılmıştır. Bu olaydan 80 yıl sonra aktif karbon istenmeyen kötü kokuların ve toksit gazların neden olduğu zararları yok etmek için kullanılmaya başlanmıştır. Aşağıdaki tabloda aktif karbonun yaygın kullanım alanlarını göstermektedir:

Günümüzde tüm dünyada yılda yaklaşık 350.000 tonun üzerinde aktif karbon üretimi gerçekleşmektedir.

Resim 1: aktif karbonun elektron mikroskop görüntüleri, ait olduğu bitkinin hücre yapısını göstermekte ve görünebilen gözenekleri oldukça büyük. Adsorpsiyon için önemli olan gözenekler oldukça küçüktür (Lurgi GmbH)

4.Aktif Karbonun Ticari Şekli

Aktif karbon toz, granür veya pellet (çekirdek) şeklinde üretilmektedir. Çeşitli şekillerdeki aktif karbon tanecikleri adsorbe kaplarının içine yerleştirilerek gaz veya sıvıların temizlenmesinde kullanılmaktadır. Gaz veya sıvı temizliğinde sürtünme kayıplarını en aza indirmek için uygun ölçülerde tanecik ve kap seçilir. Aşağıdaki tablo hangi taneciğin hangi temizleme işleminde kullanıldığını özetle göstermektedir:

2.Bölüm: Esaslar

5. Ana hatlarıyla Aktif karbon

5.1. Esaslar

Moleküllerin katı bir cismin yüzeyine bağlanması adsporpsiyon (soğurma; soğrumsama) olarak adlandırılır. Moleküllerin katı cismin yüzeyinden ayrılmasına da desporpsiyon denir.

Katı ve akışkanlık aşaması (= gaz veya sıvı halde) arasında her yüzeyde bir etkileşim olmaktadır, bu etkileşim ya bağ oluşturmaktadır ya da molekülleri itmektedir. Bir bağ oluşmasında ise moleküler kalınlıkta iki boyutlu yüzeysel bir aşama gerçekleşmektedir.

Gaz veya sıvı haldeki adsorpsiyonun esasları aynıdır ancak nakil mekanizmaları ve nakil katsayıları farklıdır. Bu farklılıktan dolayı yorum ve yöntem ayrılıkları doğmaktadr.

Adsorpsiyon bir bağ anlamına geldiğinden yüzeydeki kuvvetler bitmesi gerekir ve moleküllerin yoğunlaşmasına etki etmesi gerekir. Bu nedenledir ki adsorpsiyonla bir enerji dönüşümü söz konusudur. Bu enerji dönüşümü adsorpsiyonun dengesini ve kinetiğini belirlemektedir.

Resim 2: Aktif karbon partikülünün şematik kesiti

Adsorpsiyondaki zenginleşme, bilindik yöntem olan damıtmada olduğu gibi dışsal enerjinin oluşmasıyla değil de tam tersine içsel enerjinin oluşmasıyla artmaktadır.

Moleküllerin bağını oluşturan kuvvetler tamamen fiziksel (van der Waals’sche kuvvetleri) yapıdadır.

• Eğer karışım bileşenlerine karşı yeterli miktarda seçicilik söz konusuysa,

• Eğer adsorpsiyon alanı yeterli miktarda büyük ve moleküller rahat ulaşabiliyorlarsa,

o zaman teknik olarak adsorpsiyondan yararlanılabilinir.

Böylece adsorbe eden katı cismin iç gözenek alanlarının gram başına 100m2 gibi bir alan sunmaktadır. Aktif karbon sadece belirli çapta gözenekler sunmakla kalmayıp aynı zamanda da zeolitik meleküler süzmeye karşılık gözeneklerinin belirli düzende bir dağılımı söz konusudur. Aktif karbonun çok yönlü gözenek yapısı, makro gözenekler sayesinde adsorbe edilecek zararlı maddeleri naklini mikro ve maso gözeneklere mümkün mertebe hızla ulaşmasını sağlamaktadır (bkz. Resim 2).

Belirli maddelerdeki seçicilik, özellikle buhar basıncı, difüzyon hızı ve moleküler boyuttaki farklılıklara göre belirlenmektedir. Böylece bileşenler düşük buhar basıncıyla yüksek buhar basıncına göre daha iyi adsorbe edilmektedir.

Difüzyon hızı molekülün büyüklüğüne ve şekline bağlıdır. Bu nedenle bir bileşen diğerine göre aktif karbonu daha hızlı yükler. Moleküller büyüklülerinden dolayı gözeneklere ulaşamadıkları zaman, molekül büyüklüğü belirleyici olmaktadır.

Suda bulunan Tenside ve Pestizide gibi maddelerin molekülleri aktif karbonun daha büyük gözenekleri tarafından adsorbe edilmekte, çözücü maddeler gibi daha küçük moleküller daha küçük gözenekler tarafından adsorbe edilmektedir.

5.2 Aktif Karbonun Karakteristik Verileri

Aktif karbonun özelliklerine ait veriler Çizelge 2’de belirtilmektedir:

Çizelge 2: Aktif Karbonun Karakteristik Verileri

Partikül çapı	1 – 4	mm
Gerçek yoğunluk	2.000	kg/m3
Zahiri yoğunluk	600 – 800	kg/m3
Silkeleme yoğunluğu	350 – 500	kg/m3
Gözeneklilik	0,6 – 0,7	m3/m3
Toplam gözenek hacmi	0,7 – 1,1	cm3/g
Mikro gözenek (0,8-2 nm)	0,25 – 0,50	cm3/g
Meso gözenek (2-50 nm)	0,05 – 1,0	cm3/g
Makro gözenek (>50 nm)	0,30 – 0,50	cm3/g
Toplam iç yüzey	900 – 1.200	m2/g
Mikro gözenek	850 – 1.200	m2/g
Meso gözenek	10 – 20	m2/g
Makro gözenek	10 – 50	m2/g

5.3 Aktif Karbonun İnorganik Bileşenleri

Aktif karbon, karbonun dışında üretimi sırasında buharlaşmamış olan inorganik maddeleri ihtiva etmektedir. Miktarları %1 ile %10 arasında değişmektedir. Çizelge 3 tipik olarak yoğunlukları göstermektedir.

Çizelge 3: Aktif Karbonun İnorganik Bileşenleri

İnorganik Bileşikler	Hacimde % olarak
Kül	8
HCL’de çözünen maddeler	5
Suda çözünen maddeler	0,3
Kalsiyum	0,5
Demir	0,2
Çinko	0,0003
Bakır	0,0005
Kurşun	0,0001
Klor	0,02
Sülfat	0,1
Fosfat	0,15

Suyun temizlenmesi sırasında bu maddeler temizlenmiş olan suya karışabilirler. Aslında aktif karbondan geçen suya alkalik olarak davranmaktadır. Genellikle bu durum pek önemli değildir.

5.4 Adsorpsiyonun Etkileşim Faktörleri

Adsorpsiyon, aktif karbonun fiziksel yüzey kuvvetinin, çözeltinin moleküler çekim kuvvetiyle etkileşimi sunucu oluşmaktadır. Belirli faktörler etkileşimi belirlemektedir.

Adsorpsiyonda kullanılan aktif karbonun özellikleri:

• İç yüzeylerinin büyüklüğü

• Gözenek yapısı

Zararlı maddenin özellikleri:

• Molekül büyüklüğü

• Hidrofillilik (sucul)

• Karşıtlık

Fiziksel – kimyasal şartlar:

• Zararlı maddenin yoğunluğu

• Sıcaklık

• Suyun pH değeri

• Suyun bileşenleri

Zararlı maddelerin adsorpsiyonunu artıran etkenler:

• Büyük iç yüzeyler

• Yüksek miktarda zararlı madde yoğunluğu

• Zararlı maddenin molekül ağırlığı ve kaynama noktası

• Düşük sıcaklık

• Düşük hava nemi

3.Bölüm: Adsorpsiyon – İzotermler

6.Adsorpsiyon – İzotermler

6.1 Esaslar

Bir Aktif karbonun denge yoğunluğuna bağlı kalmayarak sabit sıcaklıkta yüklenmesinin grafiksel olarak ifade biçimine Adsorpsiyon-İzotermi denir. Pratikte bu gösterim zararlı maddelerin aktif karbonla oluşturdukları bileşim miktarını tahmin etmeye yaramaktadır. Böylece aktif karbon filtrenin dolum süresi ve maliyetler ortaya çıkmaktadır.

Adsorpsiyon-İzotermler esas olarak hava veya sudaki yüksek yoğunluklardaki zararlı maddelerin aktif karbon tarafından adsorpsiyon miktarını göstermektedir.

Adsorbe edilen zararlı maddelerin miktarları taze aktif karbonun miktarıyla ilişkilendirilmekte ve yüklenme olarak adlandırılmaktadır. Yüzde cinsinden ifade edilmektedir:

Yükleme = Zararlı Maddelerin kütlesi / taze Aktif Karbon kütlesi x %100

Genel olarak adsorpsiyon-izotermleri şu şekilde sonuçlanmaktadır: (Çizim 3)

• Küçük yoğunluklarda linear (Henry kanununa göre kontrol edilmiştir)

• Artan yoğunlukla beraber yüklenme sınır değere doğru yaklaşmayı istiyor gözükmekte (yüzeyin moleküler olarak tutunması-doldurulması)

• Yoğunluk artmaya devam eder ve doygunluk yoğunluğuna yaklaşırsa eğer yüklenme artar ve dikleşir (çok katmanlı kaplama ve kılcal yoğunluk).

Bu üç bölge akarak iç içe geçmekte ve tam olarak sınırı belirlenememektedir.

R
esim 3: Adsorpsiyon-İzotermlerin genel işleyişi

Kural olarak havalandırma sektöründe doygunluk yoğunluğundan daha küçük olan zararlı madde yoğunluğuyla karşılaşılmaktadır. 20^oC hava sıcaklığında CKW ve BTX için doygunluk yoğunluğu 100.000 ile 1.000.000 mg/m³ (Çizelge 1) arasında olmakta; havalandırma sektöründe bu yoğunluk genellikle 0,5 ile 5.000 mg/³ arasında karşılaşılmaktadır. Böylece havalandırma sektöründe genellikle 1 ve 2 nolu bölgede monomoleküler tutunma (doldurma) önemlidir. Genellikle su baharı (havadaki nem) doygunluk sınırına ulaşmada bir istisnai durum oluşturmaktadır.

Aşağıda belirtilen adsorption-izotermi için esas kaynak çeşitli aktif karbon üreticilerinin vermiş oldukları bilgilerdir. Üreticilerin yapmış oldukları ölçüler genellikle yüksek yoğunluktaki gazlarda gerçekleşmektedir; havalandırma sektöründe izotermleri