The Carbonization of Tea Plant Waste
Elif Arancı Öztürk*, Mustafa Boyrazlı* Yunus Emre Benkli**
*Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü - Elazığ
**Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü - Erzurum
ÖZET
Bu çalışmada Rize-Çaykur tesislerinden temin edilen, çay tesis atıklarının karbonizasyonu incelenmiştir. Çay atıkları karbon, azot, potasyum bakımından zengin, fosfor bakımından ise fakirdir. Çay atıklarının bu özelliği, karbonize edildikten sonra metal oksitlerin redüksiyonunda kullanılabileceğini göstermektedir. Karbonizasyon işlemi vida kapaklı bir pota içine konulan numunenin muffle tipi bir fırında 400-800 oC arası farklı sıcaklıklarda ve 30, 60, 90 ve 120 dakika sürelerde işleme tabi tutulmasıyla gerçekleştirildi.
800 oC’ de 120 dakika işlem gören numunede karbon ve kükürt içeriği sırasıyla %82,54 ve %0,18 olarak gerçekleşmiştir. Aynı numunenin ısıl değerinin 8652 kal/gr olduğu tespit edilmiştir. Karbonizasyon işlemi uygulanan numunelerin, sıcaklık arttıkça karbon oranındaki artışa paralel olarak kükürt oranında %0,39’ dan %0,18’ e düştüğü belirlenmiştir.
Anahtar kelimeler: Çay tesis atıkları, karbonizasyon
ABSTRACT
In this study, the carbonization of tea plants wastes supplied from Rize - Çaykur plants were examined. Tea plant waste contains carbon, nitrogen and potassium abundantly whereas it contains phosphorus slightly. This feature of tea waste illustrates that it can be used for reduction of metal oxides after the carbonization. The carbonization process was performed on the samples placed in a screw-cap crucible in a muffle type furnaces at different temperatures from 400 to 800 oC, for 30, 60, 90 and 120 minutes.
In sample that treated at 800 oC for 120 minutes content of carbon and sulfur respectively realized as 82.54% and 0.18%. Calorific value of the same sample is determined as 8652 cal/gr. It was determined that in the samples applied the carbonization process the proportion of sulfur in parallel to increase the rate of carbon decreased from 0.39% to 0.18%.
Keywords: tea plant waste, carbonization
1- Giriş
Çay atığı, çay fabrikalarında üretimin çeşitli aşamalarında ayrılarak biriken çay çöpleri, lifler ve çay tozu karışımından oluşan odunsu bir maddedir. Ülkemizde özellikle Doğu Karadeniz bölgesinde üretimi yapılan siyah çay yaprağı işleyen fabrikalarda yılda yaklaşık olarak 150 bin ton çay atığı çıkmaktadır. Bu miktar, çay yapraklarının standartlara uymayan hasadı sonucu daha da artmaktadır. Oldukça büyük bir potansiyele sahip olan çay atığı herhangi bir şekilde değerlendirilemediği gibi yakılması ve çürümeye terk edilerek yok edilmesi nedeniyle de çevresel problemlere sebep olmaktadır [1,2]
Çay atıkları karbon, azot, potasyum bakımından zengin, fosfor bakımından ise fakir atıklardır. Bu atıklar, kendi ağırlığının yaklaşık olarak 2,6 katı su tutma kapasitesine sahiptir [3]. Tarlalardan toplanan çay, çeşitli üretim aşamalarından geçtikten sonra geride kalan atık, “çay fabrikası atığı” olarak adlandırılmaktadır. Gerek fırın çıkışında gerekse tasnifin çeşitli aşamalarında kurutulmuş çaylar lif tutucularından geçirilerek lif ve çay çöplerinden ayrılırlar. Tasnif sonrası ayrılan bu lif ve çay çöpleri ise çay fabrikası atığının önemli bir kısmını oluşturmaktadır [2,3].
Tasnif işlemi sonucunda ortaya çıkan çöpsel atıklar bir veya iki kez tekrar değerlendirilmeye çalışılmakta, sonuçta lifsel ve çöpsel atıklar oluşmaktadır. Atık miktarı çay ürününün fiziki durumuna, işletme tekniği ve teknolojisine bağlı olarak değişmekle birlikte, imal edilen kuru çayın % 7’ sine ve bazen de % 15’ ine kadar çıkabilmektedir [3].
Çay fabrikalarında oluşan çay atıkları takriben %93,4 oranında kuru atıklardır. Çay atığının yakıt olarak kullanılması için nem değerinin düşük olması ve mikroorganizma içermemesi çok önemlidir. Çay atığı eser miktarda kükürt ve diğer zararlı kirleticileri içerdiğinden dolayı yanma sonucu hava kirliliği yapmaz [3].
Genellikle karbon, hidrojen, oksijen ve azottan oluşan hidrokarbon yapısı biyokütle olarak adlandırılır. Biyokütle tipine bağlı olarak inorganik madde miktarı %1 ile %15 arasında değişiklik göstermektedir. Çay atıkları briketlenip katı yakıt olarak kullanıldığı gibi, yonga levha, doğal gübre ve biyokütle enerji üretiminde de kullanılmaktadır [4]. Ancak son yıllarda atık sularda bulunan ağır metallerin giderilmesinde kullanılan metotlardan biri olan adsorbsiyon işleminde adsorbent olarak kullanıldığı çalışmalar mevcuttur [4,5,6].
En önemli toksik metaller, Cd, Zn, Pb, Cr, Cu ve Ni’ dir. Endüstriyel atık sularda bol miktarda bulunan bu metal iyonlarının giderilmesi için birçok metot geliştirilmiş olup, bu metotlardan biri adsorbsiyondur. Adsorbsiyon amaçlı kullanılan adsorbentlerde ise maliyet önemli bir yer teşkil eder [6]. Literatürde, endüstriyel atık sularda yoğun olarak bulunan Cd, Zn, Pb, Cr, Cu ve Ni gibi ağır metal iyonlarının giderilmesi amacıyla adsorbent olarak çay tesis atıklarının kullanıldığı çalışmalar mevcuttur [7,8,9,10,11,12,13,14,15].
Bu çalışma, çay tesis atığının, metal oksitlerin indirgenmesinde en önemli redükleyicilerden biri olan kok kömürü yerine ya da kok kömürü ile birlikte harmanlanarak kullanılabilirliğinin ilk aşamasını oluşturmaktadır. Bu nedenle, karbonizasyon işleminden sonra işlem yapılan numunelerde sabit karbon ve kükürt içeriğine bakılmış olup, en uygun oranda sabit karbon ve kükürt içeren numunenin ısıl değeri belirlenmiştir.
2. Deneysel Çalışma
Çalışmalarda Rize - Çaykur tesislerinden temin edilen ve %49,15 C, %0,39 S içeren çay tesis atıkları kullanılmıştır.
Şekil 1. Karbonizasyon işlemlerinde kullanılan metal pota
Çay tesis atıkları önce 105 oC sıcaklıkta 4 saat kurutma işlemine tabi tutularak %2 nem içeriği tespit edilmiş daha sonra, kurutulan numuneden 5 gr tartılarak özel olarak yaptırılan vida kapaklı metal bir pota (Şekil 1) içine konulmuş ve muffle tipi bir fırında farklı sıcaklıklarda ve farklı sürelerde karbonizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Deney sonucunda malzemenin yaklaşık olarak % 60-76 arasında değişen oranlarda ağırlık kaybına uğradığı görülmüştür.
2.1 Deney sonuçları
Rize - Çaykur tesislerinden temin edilen çay tesis atıkları 400, 500, 600, 700 ve 800 oC sıcaklıklarda ve 30, 60, 90, 120 dakika sürelerde karbonizayon işlemine tabi tutulmuş ve sabit karbon - kükürt içeriğine bakılmıştır. Metal oksitlerin redüksiyonunda redükleyici elemanın içerdiği sabit karbon ve kükürt gibi bileşenler çok önemli rol oynamaktadır.
Şekil 2. 400-800 oC sıcaklık ve 30-120 dakika karbonizasyon işlemi uygulanmış numunede kükürt içeriği.
Şekil 3. 400-800 oC sıcaklık ve 30-120 dakika karbonizasyon işlemi uygulanmış numunede karbon içeriği.
400-800 oC sıcaklık aralığında 30, 60, 90 ve 120 dakika karbonizasyon işlemi uygulanan numunelerde, sıcaklık arttıkça karbon oranındaki artışa paralel olarak kükürt oranında yaklaşık %45’ lik bir azalma görülmüştür (Şekil 2 ve Şekil 3). 400 oC’ de numunenin karbon içeriği %62,24 ve kükürt içeriği %0,35’ iken 800 oC’ de 30 dakika işlem gören numunede karbon içeriği %72,14 kükürt içeriği ise %0,19’ lar seviyesindedir.
800 oC’ de 120 dakika işlem gören numunede karbon ve kükürt içeriği ise sırasıyla %82,54 kükürt içeriği ise %0,18 olarak gerçekleşmiştir. 800 oC’ de 120 dakika işlem gören numunede %76 kütle kaybı gözlenmiş, aynı numunenin kalorimetrik analizi sonucu ısıl değerinin 8652 kal/gr olduğu tespit edilmiştir.
Sonuçlar
Bu çalışmada Rize-Çaykur tesislerinden temin edilen ve %49,15 C, %0,39 S içeren çay tesis atıklarının karbonize edilerek sabit karbon ve kükürt içeriğine bakılmıştır.
400-800 oC sıcaklık aralığında 30, 60, 90 ve 120 dakika karbonizasyon işlemi uygulanan numunelerde, sıcaklık arttıkça karbon oranındaki artışa paralel olarak kükürt oranında yaklaşık %45’ lik bir azalma görülmüştür. 400 oC’ de numunenin karbon içeriği %62,24 ve kükürt içeriği %0,35’ iken 800 oC’ de 30 dakika işlem gören numunede karbon içeriği %72,14 kükürt içeriği ise %0,19’ lar seviyesindedir.
800 oC’ de 120 dakika işlem gören numunede karbon ve kükürt içeriği sırasıyla %82,54 kükürt içeriği ise %0,18 olarak gerçekleşmiştir. 800 oC’ de 120 dakika işlem gören numunede %76 kütle kaybı gözlenmiş, aynı numunenin kalorimetrik analizi sonucu ısıl değerinin 8652 kal/gr olduğu tespit edilmiştir.
Burada asıl amaç, çay tesis atıklarının karbonizasyon işlemlerinden sonra, metal-oksit bileşenlerinin redüksiyonu için gerekli sabit karbon değerinin elde edilip edilmemesidir. Metal oksitlerin redüksiyonunda redükleyici elemanın içerdiği sabit karbon ve kükürt gibi bileşenler çok önemli rol oynamaktadır. Kok kömürlerinde sabit karbon oranı %86-%94 arasında değişmektedir. Bu çalışmada yapılan karbonizasyon işlemlerinden sonra elde edilen numunelerin sabit karbon ve kükürt içerikleri umut verici olarak değerlendirilmektedir.
Bu çalışma FUBAP tarafından desteklenen MF.13.22 nolu “İNDİRGEN OLARAK ÇAY TESİS ATIĞI KARBONİZASYON ÜRÜNÜ KULLANILARAK MANYETİT CEVHERLERİNDEN DEMİR TANESİ ÜRETİMİ” adlı proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Desteklerinden dolayı FUBAP’ a teşekkür ederiz.
Kaynaklar
[1] Malkoc, E. and Nuhoglu, Y. 2006. Removal of Ni(II) ions from aqueous solutions using waste of tea factory: Adsorption on a fixed-bed column. Journal of Hazardous Materials, 135, 328-336.
[2] Gürten İ., I., 2008, Çay Atığından Adsorbent Üretimi ve Üretilen Adsorbentin Adsorbsiyon Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi,Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı.
[3] http://dergi.cayeksperi.com.tr/index.php?islem=haber&id=36
[4] Yaman, S. 2004. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks.Energy Conversion& Management, 45, 651-671.
[5] http://www.biriz.biz/cay/yongalevha.pdf
[6] Gurav M., Sinalkar S.,2013,Preparation of organic compost using waste tea powder, National Conference on Biodiversity : Status and Challenges in Conservation - ‘FAVEO’ 2013.
[7] Wasewar K. L., 2010, Adsorption Of Metals Onto Tea Factory Waste: A Revıew ,IJRRAS 3 (3)
June 2010.
[8] Malkoc E., Nuhoglu Y.,2006, Removal of Ni (II) ions from aqueous solutions using waste of tea factory: Adsorption on a fixed-bed column, Journal of Hazardous Materials B 135 (2006) 328–336.
[9] Zuorro A., Lavecchia R., Medici F., Piga L.,2013, Chemical Spent Tea Leaves as a Potential Low-cost Adsorbent for the Removal of Azo Dyes from Waste Water, Chemical Engineering. transactions,32,19-24.
[10] Wasewar K., Atif M., Prasad B., Mishra M.I.,2008, Adsorption of Zinc using Tea Factory Waste : Kinetics, Equilibrium and Thermodynamics, Clean 2008, 36 (3), 320–329.
[11] Malkoc E., Nuhoglu Y., 2005, Investigations of nickel (II) removal from aqueous solutions using tea factory waste, Journal of Hazardous Materials B 127 (2005) 120–128.
[12] Wasewar K.L., Atif M., Prasad B., Mishra M.I.,2009, Batch adsorption of zinc on tea factory waste,Desalination 244 (2009) 66–71.
[13] Nuhoglu Y., Malkoc E., 2007, Potential of tea factory waste for chromium(VI) removal from aqueous solutions: Thermodynamic and kinetic studies, Separation and Purification Technology 54 (2007) 291–298.
[14] Amarasinghe B.M.W.P.K., Williams R.A.,2007,Tea waste as a low cost Adsorbent for the removal of Cu and Pb from wastewater, Chemical Engineering Journal 132 (2007) 299–309.
[15] Çay S., Uyanık A., Özaşık A.¸ 2004, Single and binary component adsorption of copper(II) and cadmium (II) from aqueous solution susing tea-industry waste, Separation and Purication Technology 38 (2004) 273–280.