Çeltik kabuğunun pirolizi ile elde edilen biyokömürün karakterizasyonu ve çevresel kirleticilerin gideriminde etkinliğinin araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, çeltik kabuğunun pirolizi sonucu elde edilen biyokömür (ÇKB) ürünü, bazik aktivasyon ajanı (KOH) kullanılarak, kimyasal olarak aktive edilmiştir. Aktivasyon işlemi ÇKB ürününün yüzey alanını arttırmak ve daha gözenekli bir adsorban (ÇKB-KOH) elde etmek için yapılmıştır. Ham çeltik kabuğunun karakterizasyonu TGA ve elementel analiz ile yapılırken, hazırlanan ÇKB-KOH ürünü SEM, BET ve FT-IR analizleri ile karakterize edilmiştir. ÇKB-KOH ürününün BET yüzey alanı ve gözenek hacmi değerleri sırasıyla 2.298 m2/g ve 0,812 cm3/g olarak ölçülmüştür. CO2 adsorpsiyon kapasitesi 25 °C sıcaklıkta termogravimetrik analiz yöntemi kullanılarak belirlenmiş olup, maksimum adsorpsiyon kapasitesi 152 mg/g olarak hesaplanmıştır. Elde edilen yüksek CO2 tutma kapasitesi, hazırlanan gözenekli karbon iskelet yapısına sahip aktif biyokömür ürününün küresel iklim değişikliğine sebep olan bu gazın giderimi için kullanılabilecek düşük maliyetli ve etkin bir adsorban olduğunu göstermiştir. Hazırlanan aktifleştirilmiş biyokömür ayrıca sulu çözeltiden metil kırmızısı (MK) boyarmaddesinin giderimi için kullanılmış ve pH, temas süresi, sıcaklık, başlangıç boyarmadde konsantrasyonu ve adsorban dozu gibi çeşitli çalışma parametreleri kesikli adsorpsiyon sisteminde optimize edilmiştir. Sulu çözeltilerden MK giderimi için optimum adsorpsiyon koşulları; pH = 6,0, T=25 °C, Co=50 mg/L ve adsorban dozajı 0,1 g/250 mL çözelti olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda 140 dakikada ulaşılan maksimum denge adsorpsiyon kapasitesi değeri 62,06 mg/g olup, ulaşılan maksimum MK giderim verimi ise %99,31 olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon dengesinin matematiksel tanımı için Freundlich, Langmuir ve Temkin adsorpsiyon modelleri kullanılmıştır. Deneysel veriler Temkin izotermi ile en iyi uyumluluğu göstermiştir. Adsorpsiyon kinetiğini incelemek için yalancı birinci derece, yalancı ikinci derece ve parçacık içi difüzyon kinetik modellerine ait mekanizmaların varsayımına dayanan adsorpsiyon modelleri deneysel verilere uygulanmıştır. Kinetik veriler, yalancı ikinci dereceden kinetik modele daha iyi uyum göstermiştir. Hesaplanan termodinamik parametreler, metil kırmızısı adsorpsiyonunun kendiliğinden, ekzotermik ve artan rastgelelik doğasını göstermiştir.

In this study, the biochar product obtained as a result of the pyrolysis of rice husk (RHB) was chemically activated by using a basic activating agent (KOH). The activation process was carried out to increase the surface area of the RHB product and to obtain a more porous adsorbent (RHB-KOH). While the characterization of the raw rice husk was done by TGA and elemental analysis, the prepared RHB-KOH product was characterized by SEM, BET and FT-IR analyses. The BET surface area and pore volume of the RHB-KOH product were measured as 2,298 m2/g and 0.812 cm3/g, respectively. The CO2 adsorption capacity was determined using the thermogravimetric analysis method at 25 °C, and the maximum adsorption capacity was calculated as 152 mg/g. The high CO2 holding capacity obtained has shown that the prepared activated biochar product with a porous carbon skeleton structure is a low-cost and effective adsorbent that can be used for the removal of this gas that causes global climate change. The prepared activated biochar was also used for the removal of methyl red (MR) dyestuff from the aqueous solution and various working parameters such as pH, contact time, temperature, initial dyestuff concentration and adsorbent dose were optimized in the batch adsorption system. Optimum adsorption conditions for MR removal from aqueous solutions; pH = 6.0, T=25 °C, Co=50 mg/L and adsorbent dosage was determined as 0.1 g/250 mL solution. Under these conditions, the maximum equilibrium adsorption capacity value reached in 140 minutes was 62.06 mg/g, and the maximum MR removal efficiency was calculated as 99.31%. Freundlich, Langmuir and Temkin adsorption models were used for the mathematical description of the adsorption equilibrium. Experimental data showed the best compatibility with the Temkin isotherm model. In order to examine the adsorption kinetics, adsorption models based on the assumption of the mechanisms of pseudo-first-order, pseudo-second-order and intraparticle diffusion kinetic models were applied to the experimental data. The kinetic data fit better with the pseudo-second-order kinetic model. The calculated thermodynamic parameters showed the spontaneous, exothermic and incremental random nature of the methyl red adsorption.