PROJE RAPORU FALCI Atık Kahve Telvesinden Aktif Karbon Üretimi

TÜBİTAK-BİDEB
KİMYAGERLİK, KİMYA ÖĞRETMENLİĞİ VE KİMYA
MÜHENDİSLİĞİ KİMYA LİSANS ÖĞRENCİLERİ
ARAŞTIRMA PROJESİ EĞİTİMİ ÇALIŞTAYI
(KİMYA-2 ÇALIŞTAY 2011)
PROJE RAPORU
GRUP ADI
FALCI
PROJE ADI
Atık Kahve Telvesinden Aktif Karbon Üretimi
PROJE EKİBİ
Begüm HOŞTUT Elif ÖZCAN Kıvanç KARAOĞLAN
PROJE DANIŞMANLARI
Prof. Dr. Mehmet KANDAZ
Doç. Dr. Mustafa SÖZBİLİR
KEPEZ/ÇANAKKALE
20-28 TEMMUZ-2011
1

İÇİNDEKİLER
SAYFA NO
Proje kapağı……………………………………………………………………..1
İçindekiler………………………………………………………………………..2
Proje özeti………………………………………………………………………..3
Giriş………………………………………………………………………..……..3
Materyal ve Yöntem…………………………………………………………….6
Sonuç ve Değerlendirme………………………………………………………..8
Kaynaklar………………………………………………………………………10
Katkıda Bulunanlar……………………………………………………………11
Kısa Özgeçmiş………………………………………………………………….11
2

PROJENİN AMACI
Atık kahve telvesinden sanayi değeri yüksek olan aktif karbon üretimi amaçlanmıştır.
PROJENİN HEDEFLERİ
Atık maddelerin geri kazanımını sağlamak
Ticari düzeyde aktif karbon üretmek
Aktif karbon üretiminde fiziksel ve kimyasal aktivasyon arasındaki farkların belirlenmesi
ÖZET
Dünyada tarımsal ürünlerin çeşitli şekillerde tüketimi sonucu çok büyük miktarda atık açığa
çıkmakta ve ciddi ölçüde kaynak bu şekilde kaybedilmektedir. Bu nedenle, bu tür atıkların
değerlendirilmesi ve ekonomiye kazandırılması için hammadde olarak kullanıldığı pek çok
çalışma yapılmaktadır.
Bu çalışmada Türk kahvesinin telvesinden fiziksel ve kimyasal aktivasyon yöntemleri ile aktif
karbon üretilmiş ve yüzey alanı, gözenek boyutu ve hacmi BET yöntemiyle ölçülmüştür.
Sonuçlar endüstride kullanılan ticari aktif karbon değerleri ile karşılaştırılmış ve
yorumlanmıştır.
3

GİRİŞ
Dünyada yıllık kahve tüketimi yaklaşık olarak 1,5 – 2 milyon tondur. Kahvenin kökeni
araştırmacılar tarafından 14. yy başlarında Güney Habeşistan'dan tüm dünyaya yayıldığı
şeklinde belirtilmiştir. Bunun kaynağı da etimolojik olarak kahve ile yakın benzerlik gösteren
Güney Habeşistan'daki Kaffa yöresi gösterilmektedir. Önceleri Arap Yarımadası'nda kahve
meyvesinin kaynatılması ile elde edilen içecek, bu yepyeni hazırlama ve pişirme metoduyla
gerçek kahve lezzetine ve eşsiz aromasına kavuşmuştur. Kahve ile Türkler sayesinde tanışan
Avrupa; uzun yıllar kahveyi, Türk kahvesi olarak bu yöntemle hazırlayıp tüketmiştir. Türk
Kahvesi, Türkler tarafından keşfedilen kahve hazırlama ve pişirme metodunun adıdır. Özel bir
tadı, köpüğü, kokusu, pişirilişi, ikramıyla kendine özgü bir kimliği ve geleneği vardır. Telvesi
ile ikram edilen tek kahve türüdür.
Çevre kirliliğini kontrol amacıyla yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbentler
arasında en önemlisi yüksek gözenekliliğe sahip aktif karbonlardır.
Aktif karbon, büyük kristal formu ve oldukça geniş iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanlar
ailesini tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Aktif karbonlar, insan sağlığına zararsız,
kullanışlı ürünler olup, oldukça yüksek bir gözenekliliğe ve iç yüzey alanına sahiptirler. Aktif
karbonlar, çözeltideki molekül ve iyonları gözenekleri vasıtasıyla iç yüzeylerine doğru
çekebilirler ve bu yüzden adsorban olarak adlandırılırlar. Endüstriyel amaçlı aktif karbon
kullanımı 18. yy sonlarında İsveçli Kimyager Karl Wilhelm Scheele tarafından gazların odun
kömürü kullanılarak adsorbe edilmesi ile başlatılmıştır. Aynı yüzyılda Rus akademisyen Lovits’
in organik madde içeren tartarik asit çözeltisinin rengini gidermek için odun kömürü kullandığı
bilinmektedir [1].
Aktif karbon üretiminde odun, fındık kabuğu, meyve çekirdekleri gibi doğal maddelerin
yanı sıra polimer bazlı sentetik hammaddeler gibi karbon içeren tüm maddeler
kulanılabilmektedir. Başlangıç malzemesinin seçimi kolay elde edilebilmesine, ucuzluğuna
bağlıdır. Yeterli miktarda karbon içeren, kolay elde edilebilen ve düşük maliyete sahip olan
hemen her madde aktif karbon hammaddesi olarak kullanılabilir. Kullanılacak hammaddenin,
4

Ø Üretilecek aktif karbon veriminin iyi olması
Ø İnorganik madde içeriğinin düşük olması
Ø Maliyetinin düşük ve kolay elde edilebilir olması
Ø Depolama sürecinde bozulmaması
Ø Kolay aktive edilebilmesi kriterlerini sağlaması gerekmektedir [2].
Aktif karbon üretimi fiziksel ve kimyasal aktivasyon olmak üzere ikiye
ayrılır. Fiziksel aktivasyon, başlangıç maddesinin termal bozunması (karbonizasyonu) ve
karbonize yapının aktivasyonu olmak üzere iki kademeden oluşur. Karbonizasyon esnasında
oksijen ve hidrojenin ilkel maddeden uzaklaştırılmasıyla gözenekli bir yapıya sahip karbon
iskeleti üretilmiş olur. Aktivasyon esnasında ise kömürleşmiş malzemenin oksidan bir
ortamda işlem görmesi sonucunda karbonun yanmasıyla ortaya çıkan uçucu maddelerin
oksijenle birleşerek ortamdan uzaklaşması, böylelikle de gözenek hacmi ve yüzey alanının
büyük oranda artması sağlanmaktadır.
Geniş aktif yüzeyli ve büyük por hacimli aktif karbon elde etmenin diğer bir yolu da
kimyasal aktivasyon işlemidir. Uygulanan kimyasal aktivasyon yöntemleri değişiklik
göstermekle birlikte kimyasal aktivasyon, uygun boyuttaki başlangıç maddesi ile kimyasal bir
maddenin 773–1273 K arasında bir sıcaklıkta reaksiyona girmesi ile gerçekleştirilebileceği gibi,
belirli bir sıcaklıkta karbonize edilmiş başlangıç maddesinin bir kimyasal madde ile reaksiyonu
sonucu da gerçekleştirilebilir.
5

MATERYAL VE YÖNTEM :
MATERYAL
15 g Türk kahvesi ( Mehmet Efendi ) atığı
60 ml fosforik asit
Saf su
Argon gazı
Süzgeç düzeneği
Kapaklı kroze
Erlen ve Beher
Etüv
Havan
Kül fırını
Micrometrics Gemini VI Surface Area and Pore Size Analyzer ( Bet Yöntemi )
YÖNTEM
Bu çalışmada 100 g Türk kahvesi telvesi temin edildi. Bu kahvenin bir miktarı pişirilerek
elde edilen telveler 110 o C’ de kurutuldu. Kurutma işlemi tamamlandıktan sonra fiziksel ve
kimyasal aktivasyon işlemleri için sırasıyla 5 g ve 10 g kurutulmuş kahve telvesi tartıldı.
Fiziksel aktivasyon için 5 gram numune inert gaz atmosferinde 900 o C’ de 1.5 saat süre ile
karbonlaştırıldı. Kimyasal aktivasyon için ise fosforik asit çözeltisinin 60 mililitresine 10
gram kurutulmuş kahve telvesi konularak 1 saat süre ile karıştırıldı [4] [5]. Karışım saf su ile
yıkanıp süzüldü, etüvde 1 saat kurutuldu ve kalıntı 900 0 C’ de 1.5 saat süre ile inert
atmosferinde ısıtıldı. Gerekli analizlerin yapılabilmesi için üretilen aktif karbon 40 o C’de
etüvde 12 saat süre ile kurutuldu. Yüzey alanı ve gözenek boyutunu ölçmek için BET yöntemi
kullanıldı. Bu yöntem için öncelikle aktif karbon örneği hassas terazide tartıldı. Tartılan
numuneden nemin giderilmesi için degaz yöntemi uygulandı. Bu yöntem için numune 100 o
C’ den 200 o C’ye kademeli olarak 3 saat içerisinde çıkarıldı. Tekrar tartım
6

alındı ve değerler cihaza girilerek BET Metodu ile üretilen aktif karbonun yüzey alanı,
gözenek hacmi ve gözenek boyutu belirlendi.
YAPILAN ANALİZLER
Aktif karbonun yüzey alanı BET yöntemi ile belirlenir. Bu yöntemde adsorplanan madde
olarak genellikle N 2 gazı kullanılır. BET, gazların katı malzemelerin yüzeylerine fiziksel
adsorpsiyon karakteristiğini kullanarak yüzey alanı hakkında bilgi veren bir yöntem olup,
gazın bir katı yüzeyinde oluşturduğu fiziksel olarak adsorbe olmuş monotabaka prensibini baz
alır. Farklı basınçlarda katı numune yüzeyine adsorbe olan gaz karışımı miktarlarından sonuca
gidilir. BET cihazından numunenin gözenek hacmi, porozitesi ve aktif yüzey alanı hakkında
detaylı bilgiler elde edilebilmektedir.
7

SONUÇ VE TARTIŞMA
Fiziksel aktivasyon sonucu üretilen aktif karbonun analiz sonuçları tablo 1’de gösterilmiştir.
YÖNTEM
YÜZEY ALANI
(m 2 /g)
GÖZENEK
BOYUTU ( nm)
GÖZENEK
HACMİ
( cm 3 /g)
BET 481.0544 3.31513 0.367641
LANGMUIR 651.9531 - -
Tablo 1.Fiziksel aktivasyon sonucu üretilen aktif karbonun analiz sonuçları
Ticari aktif karbon için spesifik yüzey alan değerlerinin 600-1100 m 2 /g aralığında
değiştiği görülmektedir [3]. Tablo 1’de gösterilen değerlere göre; kahve telvesinin fiziksel
aktivasyonu sonucu elde edilen aktif karbonun yüzey alanı değeri BET yöntemine göre
481.0544 m 2 /g olarak bulunmuştur. Bu değer belirlenmiş ticari aktif karbon yüzey alanı
aralığına yakındır. Kimyasal aktivasyonla aktif karbon üretimi denenmiş olmasına rağmen
sonuçlar beklenildiği gibi bulunamamıştır. Bunun nedenleri, zaman kısıtlılığıdır. Kimyasal
aktivasyon işlemi tamamlanmış olsaydı, üretilen aktif karbonun yüzey alanı fiziksel
aktivasyon işlemi sonucunda üretilen aktif karbonun yüzey alanından çok daha büyük
olacaktı.
The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adsorbanlar için gözenek
büyüklüğünü yarıçaplarına göre dörde ayırmıştır. Bunlar [1]:
Makro gözenekler (r > 25 nm)
Mezo gözenekler (1 < r < 25 nm)
Mikro gözenekler (0,4 < r < 1 nm)
Submikro gözenekler (r < 0,4 nm)’ dir.
8

Tablo 1’de gösterilen değerlere göre; kahve telvesinin fiziksel aktivasyonu sonucu elde
edilen aktif karbonun gözenek büyüklüğü BET yöntemine göre 3.31513 nm olarak
bulunmuştur. Bu değer mezo gözenek büyüklüğü aralığına girmektedir. Aktif karbondaki bu
gözeneklerin adsorpsiyon işleminde farklı görevleri vardır. Aktif karbona adsorplama
kapasitesi kazandıran yapılar mikro ve mezo gözeneklerdir.
ÖNERİLER
Ticari değeri yüksek aktif karbonu daha verimli bir şekilde elde edebilmek için;
Kül fırınındaki karbonizasyon işleminin süresi uzatılabilir
Aktivasyon işlemi için fosforik asit yerine ZnCl 2 gibi aktive edici diğer maddeler
kullanılabilir.
9

KAYNAKÇA
1. Dermanlı. Y., ‘’ Gıda Fabrikasyon Atıklarından Aktif Karbon Üretimi ve Soya Yağını
Ağartma Performansının İncelenmesi’’, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik
Üniversitesi.
2. Marsh, H., Heintz, K.A., Rodriguez-Reinoso, F., (1997), “Introduction to Carbon
Technologies” University of Alicante, Scretariaclo de Publicationes.
3. Aydın, S., Güneysu, S., Arayıcı, S., 2007, Artıma Tesisi Çamurlarından Piroliz ile
Elde Edilen Adsorbentlerin Tekstil Atık Sularından KOI ve Renk Giderimi için
Kullanımının Araştırılması, İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh.
Bölümü, Çevre Bilimleri A.D. Araştırma Notu, İstanbul.
4. Baquero, M.C., Giraldo, L., Moreno, J.C., Suarez- Garcia, F., Martinez-Alonso, A.,
Tascon, J.M.D., 2003 Activated carbons by pyrolysis of coffee bean husks in presence
of phosphoric acid. J. Anal. Appl. Pyrolysis 70: 779-784
5. Reffas, A., Bernardet, V. David, Reinert, L. 2010 Carbons prepared from coffee
grounds by H 3 PO 4 activation: Characterization and adsorption of methylene blue and
Nylosa Red N-2RBL. Journal of Hazardous Materials 175:779-788
10

KATKIDA BULUNANLAR
Çalıştay süresince projelendirmemize yardımcı olan tüm proje ekibine, danışmanlarımıza ve
bizlere yardımcı olan tüm arkadaşlarımıza teşekkür ederiz. Ayrıca; deney süresince
yardımlarını bizden eksik etmeyen değerli hocalarımız Prof. Dr. Mehmet KANDAZ,
Doç. Dr. Mustafa SÖZBİLİR ve Emre SEFER hocamıza teşekkürlerimizi bir borç biliriz.
ÖZGEÇMİŞLER
Elif ÖZCAN (Yıldız Teknik Mühendisi– İSTANBUL)
1989 yılında Safranbolu’da doğdu. İlköğretim ve liseyi İstanbul’da tamamladı. 2011 yılında
Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya-Metalürji Fakültesi Kimya Mühendisliği bölümünden
mezun oldu.
Kıvanç KARAOĞLAN ( 9 Eylül Üniversitesi- İZMİR)
1988 yılında İskenderun’da doğdu. İlköğretim ve liseyi İskenderun’da tamamladı. 2011
yılında 9 Eylül Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya bölümünden mezun oldu.
Begüm HOŞTUT (Eskişehir Osmangazi Üniversitesi)
1989 yılında Eskişehir’de doğdu. İlk ve orta öğrenimini Eskişehir’de tamamladı. 2011 yılında
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya bölümünden mezun oldu.
11