5. Geoteknik Sempozyumu
5-7 Aralık 2013, Çukurova Üniversitesi, Adana
BENTONİT KİLİNİN PRİNA KÜLÜ İLE STABİLİZASYONU
STABILIZATION OF BENTONITE CLAY WITH OLIVE WASTE ASH
Utkan MUTMAN 1
ABSTRACT
Olive oil is concentrated in the Mediterranean basin countries, including Turkey. Since the
olive oil industries are incriminated for a high quantity of pollution, it has become
imperative to solve this problem by developing optimized systems for the treatment of
olive oil wastes. This study proposes a solution to the problem. Burned olive waste ash is
evaluated for using as clay stabilizer. In a laboratory, bentonite clay is used to improve by
olive waste ash. Before the laboratory, the olive waste burned at 550oC in the high
temperature oven. The burned olive waste ash was added in bentonite clay with increasing
1% by weight from 1% to 10%. The study consisted of the following tests on samples
treated with burned olive waste ash: Atterberg Limits, Modify Proctor, Density,
Unconfined Compressive Strength and Consolidation tests. The test results show promise
for this material to be used as stabilizer and to solve many of the problems associated with
its accumulation.
Keywords: Bentonite, Olive Waste Ash, Stabilization, Improvement
ÖZET
Zeytin yağı, Türkiye’nin de içinde olduğu Akdeniz ülkelerinde yoğun olarak
üretilmektedir. Zeytin yağı üretiminde ortaya çıkan atık çevre kirliliğine neden olduğu için
zeytin yağı atığının (prina) bertaraf edilmesi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu
çalışmada zeytin yağı atığının (prina) bertaraf edilmesi için bir çözüm önerilmektedir.
Yakılmış zeytin yağı atığı (prina) külü killeri iyileştirilmesi için kullanılmıştır.
Laboratuvarda yapılan çalışmalarda saf bentonit kili prina külü ile iyileştirilmiştir.
Laboratuvar deneylerinden önce prina 550oC’de yüksek ısı fırınında yakılmıştır. Elde
edilen prina külü bentonit kili içerisine ağırlıkça %1 artışlarla %10 oranına kadar ilave
edilmiştir. Farklı prina külü oranındaki bentonit kili örnekleri üzerinde Atterberg limitleri,
modifiye sıkıştırma, özgül kütle, serbest basınç deneyleri uygulanmıştır. Bu deneyler
sonucunda elde edilen optimum prina külü oranında hazırlanmış bentonit kiline ve saf
bentonit kiline konsolidasyon deneyi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar prina külünün
killerin geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesinde kullanılabileceği ve bu şekilde zeytin
yağı üretiminde elde edilen atıkların (prina) yok edilmesinin sağlanacağını göstermiştir.
Anahtar kelimeler: Bentonit, Prina, Zeytin Yağı Atığı, İyileştirme
1
Yrd. Doç. Dr., Kocaeli Üniversitesi, [email protected]
1. GİRİŞ
Zeytin ağaçları tüm kıtalarda bulunmasına rağmen, dünyadaki zeytin yağı üretiminin
%97’si İspanya, Portekiz, İtalya, Yunanistan, Tunus ve Türkiye’nin içinde olduğu Akdeniz
ülkelerinde yapılmaktadır. (Lopez-Villalta, 1998) İronik olarak, zeytin yağının
kullanımının sağlık açısından faydalarının bulunmasında rağmen, üretimi sırasında ortaya
çıkan ve prina olarak adlandırılan atığı çevresel kirliliğe etkisi bakımından tehdit
oluşturmaktadır (Kestioğlu vd. 2005). Prinanın zemin ve suları kirletmesi nedeniyle
güvenli bir şekilde yok edilmesi çok önemlidir. Zeytin yağı kısa bir süre içerisinde çok
büyük miktarlarda üretilmekte ve bu nedenle ortaya çıkan prina çevresel risk oluşmasından
kaçınılması için yok edilmelidir. (Cayuela v.d. 2006). Zeytin yağı üretiminden dolayı
meydana çıkan yüksek miktardaki atığın bertaraf edilmesi için çeşitli yöntemler
geliştirilmiştir. Günümüzde kullanılan bu yöntemlerden bazıları, biyolojik iyileştirme, ışıl
yöntemler,
buharlaştırma,
oksjenli
ve
oksijensiz
parçalama
olarak
sayılabilir.(Arvanitoyannis v.d. 2008)
Prina zeytinin sıkılması ve zeytin yağı elde edilmesinden sonra ortaya çıkan bir yan
üründür. Zeytin yağı endüstrisi için prinanın uzun dönemde birikmesi sorun teşkil
etmektedir. Prinanın sahip olduğu yüksek ısı enerjisi nedeni ile en çok yakıt olarak
kullanılmaktadır. Son zamanlarda, yüksek ısı enerjisi ve düşük kül miktarından dolayı
enerji istasyonlarında kullanım oranı artmıştır. Bazı ülkeler (Yunanistan, İtalya, Tunus ve
Türkiye) enerji üretimi için prina kullanınımın yaygınlaştırılmasını planlamaktadırlar.
Prina bazı inşaat uygulamalarında da kullanılmaktadır. Amerika Birleşik Devletlerinde,
prina yol inşaat malzemesi olarak bitüme karıştırılmaktadır. Ayrıca prina biriketleri
geleneksel biriketlere göre daha hafif olarak üretilebilmektedir (Nalbantoğlu, 2006).
Diğer yandan özellikle killi zeminlerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu iyileştirmede
prina kullanılabilir. Bu şekilde, hem bir atık olan prina yok edilirken, hem de killi zeminler
iyileştirilebilir. (Mutman, 2013) Sorunlu zeminlerin iyileştirilmesi için prina külü çok az
sayıda çalışmalarda kullanılmıştır. (Attom v.d. 1998) Daha önce yapılmış olan
çalışmalarda şişen zeminleri iyileştirmek için kireç, çimento ve uçucu kül katkıları
kullanılmıştır. (Nalbantoğlu, 2006) Killi bir zemine kireç katılması sonucu çeşitli kimyasal
reaksiyonlar oluşmakta ve bu reaksiyonların sonucunda katyon değişimi (topaklaşma),
çökeltme-yığışma ve çimentolaşma meydana gelmektedir. Bu reaksiyonlardan bazıları ilk
saatlerde başlamaktadır; özellikle pozolonik reaksiyonlar zaman içinde oluşarak uygun su
muhtevasında ve sıcaklıkta yıllarca devam edebilmektedir. Katyon değişimi reaksiyonu
sonucunda genellikle killerle birleşen tek atomlu katyonlar çift atomlu kalsiyum iyonlarıyla
yer değiştirirler. Çökeltme-yığışma oluşumu sonucunda ise kil parçacıkları birbirlerine
yönelerek, daha büyük parçacıklar oluşturmaktadır. Böylece killi zeminlerin yapısı
değişmektedir. Kil parçacıkları birbirleriyle yumaklaşarak daha büyük boyutlu parçacıkları
oluştururlar. (Kavak v.d., 2006).
Bu çalışmada, prinanın yüksek ısı fırınında 550oC’de yakılarak elde edilen külü saf
bentonit kilinin geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesi için kullanılmıştır. Bu çalışma
kapsamında önce saf bentonit kilinin geoteknik özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra prina
külü saf bentonit kili içerisine %1 oranında artışlarla %10 oranına kadar katılmış ve
deneyler tekrarlanmıştır.
2. METODOLOJİ
Bu çalışmada, prina külü saf bentonit kilinin iyileştirilmesi için kullanılmıştır. Bentonit
kilinin özellikleri Tablo-1’de verilmiştir. Çalışmanın amacı kapsamında kullanılacak prina
Bursa İli Gemlik İlçesinde bulunan zeytin yağı fabrikasından alınmıştır. Prina yüksek ısı
fırınında 550oC’de 1 saat süre ile yakılarak kül elde edilmiştir. Daha sonra prina külü
0.425 mm elekten elenmiş ve geçen prina külü çalışmalarda kullanılmıştır. Prina külünün
özgül kütlesi 1.48 olarak bulunmuştur.
Tablo 1. Bentonit kilinin özellikleri
Kimyasal Analiz
A.Z.
(%)
SiO2
(%)
Al2O3
(%)
Fe2O3
(%)
TiO2
(%)
CaO
(%)
MgO
(%)
Na2O
(%)
K2O
(%)
Minerolajik Analiz
Montmorillonit
(%)
Kristobalit-Opal C
(%)
K-Feldspat
(%)
Plajiyoklaz
(%)
Özellikler
Katyon Değişim Kapasitesi
(meq/100 gr)
CaCO3
(%)
Şişme
(ml/2 gr)
Sedimantasyon (72 hours)
(ml)
Sinterleşme Noktası
(oC)
Yığın Yoğunluğu
(gr/lt)
Topaklanma
Topaklanma Aralığı
(gr)
Su Emme
(%)
Su Emme Süresi
(sec)
NH3 Salınımı
(ppm)
Ağartma- Orijinal
Tonsil
Ağartma- Asit Aktive
Equivalent
pH (%8 katı)
Elek Bakiyesi (+75 µm)
(%)
Renk
Açıklık
Nem
(%)
7,50 ± 1,00
71,00 ± 1,00
14,00 ± 1,00
0,70 ± 0,10
0,05 ± 0,01
1,10 ± 0,30
3,20 ± 0,20
0,25 ± 0,05
1,00 ± 0,10
80
17
3
Eser
85,0 ± 5,0
0
8,0 ± 2,0
10
1200
800 ± 30
Pozitif
55 ± 5
90 ± 5
mak. 65
40
0,6
0,7
8,5
<4
Beyaz
93 ± 1
<30
105±5oC’de kurutulmuş olan bentonit kiline prina külü %1 artışlarla %10 oranına kadar
katılarak laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Her örnek hazırlanırken, bentonit prina külü ile
karıştırılmış ve sonrasında daneler arasında kimyasal aktivitenin oluşması için 1 saat
beklenilmiştir. (Kavak v.d. 2007)
İlk önce atterberg limit deneyleri uygulanmış ve likit limit ile plastik limit değerleri
bulunmuştur. Daha sonra modifiye sıkıştırma deneyi uygulanmış ve her bir prina külü
oranı için optimum su muhtevası belirlenmiştir. Serbest basınç deneyi için örnekler
bulunan optimum su muhtevasında hazırlanmıştır. Serbest basınç deneyinde 0, 1, 7 ve 28
günlük kür sürelerinin her biri için 6 adet örnek hazırlanmıştır. Ayrıca her bir prina külü
oranı için özgül kütle deneyi yapılmıştır.
Serbest basınç mukavemetini en yüksek yapan prina külü oranında hazırlanmış örnek
üzerinde konsolidasyon deneyi yapılmıştır.
Çalışmada uygulanan deneyler TS-1900’e göre yapılmıştır.
3.DENEY SONUÇLARI
Atterberg limitleri optimum kül oranının belirlenmesi amacı ile yapılmıştır. Kireç
stabilizasyonunda plastisite indisinin 10’dan küçük olduğu kireç oranı optimum kireç oranı
olarak seçilir. (Kavak v.d. 2007) Fakat bu çalışmada, prina külü oranı arttıkça likit limit
değerlerinde önce düşüşler olmakta daha sonra %5 kül oranından sonra likit limit değerleri
tekrar yükselmektedir. Buna karşın plastik limit değerlerinde fazla değişiklikler
olmamaktadır. Bunun sonucunda da Şekil 1’de verilen grafikte de görüleceği üzere
plastisite indisi 100 değerinden 80 değerine düşmekte ve %5 kül oranından sonra tekrar 95
değerine artmaktadır. Bu nedenle çalışmada optimum kül oranı Atterberg limitleri ile
belirlenememiştir.
180
LL
PL
Ip
160
Atterberg Limitleri
140
120
100
80
60
40
0
1
2
3
4
5
6
7
Prina Külü Oranı (%)
8
9
10
Şekil 1. Atterberg limitlerinin değişimi
Modifiye sıkıştırma deneyi yapılmış ve optimum su muhtevaları bulunmuştur. Bu amaçla
deneye başlanmadan önce bentonit kiline prina külü %1 oranında konulmuş ve toplam
ağırlığın %10’u oranında su ilave edilerek 1 saat kimyasal aktivite için beklenmiştir. Saf
bentonit üzerinde yapılan deneyde optimum su muhtevası %38 ve maksimum birim hacim
ağırlık değeri 10.77 kN/m3 olarak bulunmuştur. Prina külü bentonite %1 oranında
eklendiğinde optimum su muhtevası %35 ve maksimum birim hacim ağırlık değeri
11.25 kN/m3 olarak bulunmuştur. Fakat daha büyük kül yüzdelerinde optimum su
muhtevalarında artışlar, aynı zamanda da kuru birim hacim ağırlık değerlerinde düşüşler
gözlenmiştir. Ayrıca %1 prina külü oranında elde edilen sıkıştırma deneyi grafiği daha
yatay konumda iken diğer prina külü oranlarında daha dik bir grafik elde edilmiştir.
(Şekil 2) Bu durum ise %1 prina külü oranındaki bentonit kilinde maksimum kuru birim
hacim ağırlık değerinin su muhtevası değişikliklerinden daha az etkilendiğini
göstermektedir.
Şekil 2. Modifiye sıkıştırma deneyi sonuçları
Özgül Kütle
Çalışma kapsamında özgül kütle deneyi yapılmıştır. Saf bentonitin özgül kütlesi 2.10
olarak bulunmuştur. %1 oranında prina külü karıştırıldığında özgül kütle 2.40 değerine
yükselmiştir. %6 prina külü oranına kadar özgül kütle değerlerinde düşüşler oluşmuş ve bu
değerden sonra 2.28 değerinde sabit kalmıştır. (Şekil 3)
2,45
2,40
2,35
2,30
2,25
2,20
2,15
2,10
2,05
2,00
1,95
1,90
0
1
2
3
4
5
6
7
Prina Külü Oranı
8
9
10
Şekil 3. Özgül kütle değerleri
Serbest basınç deneyi saf bentonit kiline ve % 1 oranında artırılarak prina külü eklenmiş
bentonit kili örneklerine uygulanmıştır. Serbest basınç örnekleri daha önce elde edilmiş
olan optimum su muhtevalarında hazırlanmıştır. Hazırlanan örnekler anlık (0 gün), 1 gün,
7 gün ve 28 gün kür edildikten sonra serbest basınç deneyi uygulanmıştır. Her bir kür
süreleri için 6 adet örnek hazırlanmıştır. %1 prina külü ilave edilmiş olan bentonit
örneğinde 28 günlük kür sonunda en yüksek serbest basınç mukavemeti elde edilmiştir.
Ayrıca anlık, 1 günlük ve 7 günlük kür süreleri sonunda da en yüksek serbest basınç
mukavemeti %1 prina külü ilave edilen bentonit kilinde elde edilmiştir.
%1 prina külü oranından sonra 28 günlük serbest basınç mukavemetlerinde keskin düşüşler
meydana gelmektedir. Diğer kür sürelerinde serbest basınç mukavemetlerinde düşüşler
meydana gelmesine rağmen 28 günlük kür süresi gibi keskin olmamaktadır. Ayrıca 28
günlük kür süresindeki serbest basınç mukavemetleri %1 prina külü oranından sonra diğer
kür sürelerinden daha düşük değerde elde edilmiştir. (Şekil 4)
Şekil 4. Serbest Basınç Mukavemetleri
Serbest basınç deneyi sonrasında elde edilen en büyük serbest basınç mukavemeti değerini
veren %1 prina külü oranındaki bentonit kili ve saf bentonit kili üzerinde konsolidasyon
deneyi uygulanmıştır. Deney için örnekler optimum su muhtevasında hazırlanmıştır. Aynı
zamanda örneklerin şişme basıncı ölçülmüştür. Saf bentonit kilinde şişme basıncı 100 kPa
iken %1 prina külü ilave edilmiş olan bentonit kilinin şişme basıncı 50 kPa olarak
bulunmuştur.
Her iki örnek için ön konsolidasyon basıncı 200 kPa olarak bulunmuştur. Saf bentonit için
sıkışma indisi (Cc) 0.396, tekrar sıkışma indisi (Cr) ise 0.168 olarak bulunmuştur. %1
prina külü ilave edilen bentonit kilinin sıkışma indisi (Cc) 0.371, tekrar sıkışma indisi (Cr)
ise 0.139 olarak bulunmuştur.
4.SONUÇLAR
Likit limit değerleri %5 prina külü oranına kadar azalmakta ve sonra tekrar artmaktadır.
Buna karşın, plastik limit değerlerinde değişiklik olmamıştır. Bunun sonucu olarak
plastisite indisi değerleri likit limit değerlerine benzer şekilde %5 prina külü oranında en
düşük değeri almıştır.
En yüksek özgül kütle değeri %1 prina külü oranında elde edilmiştir. Bu orandan sonra
özgül kütle değerlerinde düşüşler gözlenmiş ve %6 prina külünden sonra sabit kalmıştır.
Özgül kütlesi bentonite göre daha düşük olan prina külünün karışımdaki oranının fazla
olması bu düşüşe sebep olmaktadır.
Çalışmada elde edilen en yüksek maksimum kuru birim hacim ağırlık değeri olan
11.25 kN/m3 %1 prina külü oranında elde edilmiştir. Yine en düşük optimum su muhtevası
aynı prina külü oranında elde edilmiştir.
Serbest basınç deneyinde en büyük serbest basınç mukavemeti %1 prina külünde elde
edilmiştir. Ayrıca anlık, 1 günlük ve 7 günlük kür süreleri sonunda da en yüksek serbest
basınç mukavemeti %1 prina külü ilave edilen bentonit kilinde elde edilmiştir.
%1 prina külü oranından sonra 28 günlük serbest basınç mukavemetlerinde keskin düşüşler
meydana gelmektedir. Diğer kür sürelerinde serbest basınç mukavemetlerinde düşüşler
meydana gelmesine rağmen 28 günlük kür süresi gibi keskin olmamaktadır. Ayrıca 28
günlük kür süresindeki serbest basınç mukavemetleri %1 prina külü oranından sonra diğer
kür sürelerinden daha düşük değerde elde edilmiştir.
Şişme basıncı değeri saf bentonit örneğinde daha yüksek iken %1 prina külü ilave edilmiş
bentonit kilinde %50 oranında azalmıştır.
Konsolidasyon deneyinde prina külü ilave edilmiş bentonit kilinin sıkışma indisi ve tekrar
sıkışma indisi değerleri daha düşük elde edilmiştir.
Prina külü içerisinde bulunan kalsiyum karbonat (CaCO3) kalsiyum oksit (CaO) ve
kalsiyum dioksit (CO2), kalsiyum oksit (CaO) yada kalsiyum hidroksite (Ca(OH)2)
dönüşür. Su prina külü içindeki silika ile reaksiyona girmesi ile kil mineralini kalsiyum
silikat hidrata çevirmektedir. Yani bu kimyasal aktivite ile çimento minerali oluşmaktadır.
Bu çimentolaşma nedeni ile serbest basınç mukavemetinde artış gözlenmektedir. Yüksek
prina oranlarında serbest basınç mukavemetinin düşüşü özgül kütle değerlerindeki düşüş
nedeni ile oluşmaktadır. Ayrıca prina külü oranının artması örnek içindeki kohezyonsuz
malzeme miktarının artmasına neden olduğundan serbest basınç mukavemetinin düşmesine
neden olmaktadır.
KAYNAKLAR
Arvanitoyannis, I.S., Kassaveti, A. and Stefanatos, S. (2008). “Olive oil waste treatment: a
comparative and critical presentation method. Advantages & disadvantages”
Critical Reviews in Food Science and Nutrition 47, 187–229.
Attom, M.F., Al-Sharif, M.M. (1998). “Soil stabilization with burned olive waste” Applied
Clay Science, 13, 219–230.
Cayuela, M.L., Sánchez-Monedero, M.A. and Roig, A. (2006), “Evaluation of two
different aeration systems for composting two-phase olive mill wastes” Process
Biochem 41(3), 616–623.
Kavak A., Mutman U., Bilgen G. (2006). "Yol Tabanında Zayıf Zeminlerin
Güçlendirilmesi İçin Kireç Stabilizasyonu" Kocaeli Özelinde Büyükşehirlerin
Kentsel Yapılaşma ve Ulaşım Sorunları Sempozyumu.
Kavak A., Akyarlı A. (2007). “A field application for lime stabilization” Environmental
Geology, 51, 987–997.
Kestioglu, K., Yonar, T. and Azbar, N. (2005), “Feasibility of physico-chemical treatment
and advanced oxidation processes (AOPs) as a means of pretreatment of olive mill
effluent (OME)” Process Biochem 40, 2409–2416.
Lopez-Villalta, L.C. (ed.) (1998), “The olive tree, the oil, the olive”, International Olive
Oil Council Publications, Madrid.
Mutman, U. (2013), “Clay Improvement with Burned Olive Waste Ash”, The
ScientificWorld Journal, Vol. 2013, 1-4.
Nalbantoglu, Z., Tawfiq, S. (2006). “Evaluation of the effectiveness of olive cake residue
as an expansive soil stabilizer” Environmental Geology, 50, 803-807.
Download

5.Geoteknik Sempozyumu