Biyokütleden karbon malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, çevre dostu ve sürdürülebilir malzemelerin üretimi için lignoselülozik biyokütle olan meşe talaşından iki farklı yöntemle karbon malzemelerin üretimi gerçekleştirilmiştir. İlk yöntemde hidrotermal karbonizasyon ile 175, 200 ve 225 °C sıcaklıklarda 12, 24, 48, 60, 72 saat reaksiyon sürelerinde karbon malzemeler elde edilmiştir. İkinci yöntemde ise piroliz yöntemiyle 600 ve 800 °C'de kimyasal aktivasyon ile aktif karbonlar elde edilmiştir. Aktivasyon ajanı olarak ağırlıkça % 25, 50 ve 100 oranlarında potasyum hidroksit (KOH) kullanılmış, ultrasonik banyoda 4 saat süresince biyokütleye emdirilmiştir. Elde edilen karbon malzemelerin karakterizasyonları Fourier dönüşümlü infrared (FT-IR), elementel analiz, Brunauer - Emmett - Teller (BET) yüzey alanı ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analiz teknikleriyle gerçekleştirilmiştir. Tüm sürelerde sıcaklığın artmasıyla birlikte hidrotermal karbon (HTC) miktarı azalmıştır. Meşe talaşının toplam BET yüzey alanı 1,50 m2/g iken elde edilen HTC'lerin BET yüzey alanları 15-23 m2/g arasında değişiklik göstermektedir. 225 °C, 12 saat reaksiyon süresinde elde edilen HTC'nin BET yüzey alanı 21,75 m2/g'dır. Hem KOH oranı hem de sıcaklık aktif karbon verimlerini önemli ölçüde etkilemiştir. Her bir sıcaklıkta KOH oranının artmasıyla aktif karbon verimleri azalmıştır. Ayrıca aynı kimyasal emdirme oranlarında sıcaklığın artmasıyla da aktif karbon verimleri azalmıştır. 600 °C'de elde edilen tüm aktif karbonların BET yüzey alanları düşük olup en yüksek BET yüzey alanı 800 °C'de % 50 KOH oranında 1661,97 m2/g olarak hesaplanmıştır.

In this study, the production of carbon materials was carried out in two different ways from oak wood, a lignocellulosic biomass for the production of environmentally friendly and sustainable materials. In the first method, carbon materials were obtained at the reaction times of 12, 24, 48, 60, 72 hours at 175, 200 and 225 °C by hydrothermal carbonization method. In the second method, activated carbons were obtained by chemical activation at 600 and 800 °C by pyrolysis method. Potassium hydroxide (KOH) was used as the activating agent, and the biomass was impregnated with KOH at the percentage of % 25, 50 and 100 for 4 hours in an ultrasonic bath. The characterizations of the obtained carbon materials were performed by Fourier transform infrared (FT-IR), elemental analysis, Brunauer - Emmett - Teller (BET) surface area and scanning electron microscopy (SEM) techniques. The HTC amount decreased with the increase in temperature for all reaction times. While the total BET surface area of oak wood sawdust is 1.50 m2/g, the BET surface areas of HTCs vary between 15-23 m2/g. The BET surface area of HTC obtained at 225 °C for 12 hours is 21.75 m2/g. Both the KOH ratio and the temperature significantly influenced the activated carbon yields. Activated carbon yields were reduced by increasing the KOH ratio at each temperature. In addition, with the same chemical impregnation ratios, the activated carbon yields decreased with increasing temperature. The BET surface areas of all activated carbons obtained at 600 °C are low and the highest BET surface area is obtained as 1661.97 m2/g at 50 % KOH at 800 °C.