Piroliz

Piroliz malzemelerin asal bir ortamda yüksek sıcaklıklarda termal ayrışmasıdır. Kimyasal bileşim değişikliğini içerir. Kelime Yunanca kökenli pyro ("ateş") ve lysis ("ayırma") unsurlarından türetilmiştir.Piroliz en yaygın olarak organik malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Ahşabın yakılmasında yer alan işlemlerden biridir. Genelde organik maddelerin pirolizi uçucu ürünler üretir ve karbon, kömür bakımından zengin bir katı kalıntı bırakır. Kalıntı olarak çoğunlukla karbon bırakan aşırı pirolizekarbonizasyon denilir. Piroliz gazlaştırma veya yanma işlemlerinde ilk adım olarak kabul edilir.İşlem çoğunlukla kimya sanayiinde örneğin etilen karbonun pek çok formları, petrolden, kömürden ve hatta ağaçtan diğer kimyasallar, kömürden kok üretmek için kullanılır. Endüstriyel hacimde üretimi başlatarak doğalgazın (çoğunlukla metan) kirletici olmayan hidrojen gazına ve kirletmeyen katı karbon kömürüne dönüştürülmesinde de kullanılır. Piroliz  uygulamaları biyokütleyi sentez gazına ve biyokömüre, atık plastikleri tekrar kullanılabilir yağa veya atıkları güvenli bir şekilde tek kullanımlık maddelere dönüştürür.Piroliz çok yüksek sıcaklıklarda (suyun veya diğer çözücülerin kaynama noktasının üzerinde) oluşan çeşitli kimyasal bozunma işlemlerinden biridir. Genellikle oksijen (yanmada O2) veya su (hidrolizde) gibi diğer reaktiflerin eklenmesini içermemesi bakımından yanma ve hidroliz gibi diğer işlemlerden farklıdır. Piroliz katı maddeler (kömür), yoğunlaşabilir sıvılar (katran) ve yoğunlaşmayan/kalıcı gazlar üretir.Organik maddenin tam pirolizi çoğunlukla temel karbondan oluşan katı bir kalıntı bırakır; süreç daha sonra karbonizasyon olarak adlandırılır. Daha özel piroliz vakaları şunlardır:Metanın doğrudan kirletici olmayan hidrojen yakıtına ve ayrılabilir katı karbona dönüştürülmesi için katalitik erimiş metallerin varlığında metan piroliziAşırı ısıtılmış su veya buhar varlığında hidroli piroliz hidrojen ve ayrıca önemli miktarda atmosferik karbondioksit üretir ayrıca petrol rafinasyonunda kullanılıratıl bir atmosfer altında ön- seramik polimerlerden polimer türevi seramiklerin oluşumunu içeren seramikleştirmePiroliz genellikle malzemenin ayrışma sıcaklığının üzerine ısıtılması, moleküllerindeki kimyasal bağların kopmasıdır. Parçalar genellikle daha küçük moleküller haline gelir ancak daha büyük molekül kütleli kalıntılar hatta amorf kovalent katıları üretmek için birleşebilirler.Pek çok ortamda belirli miktarlarda oksijen, su veya diğer maddeler mevcut olabilir bu nedenle pirolizin yanı sıra yanma, hidroliz veya diğer kimyasal işlemler oluşabilir. Bazen bu kimyasallar yakacak odunun yakılmasında, geleneksel odun kömürü imalatında ve ham petrolün buharla parçalanmasında olduğu gibi bilerek eklenir.Tersine başlangıç malzemesi olumsuz kimyasal reaksiyonlardan kaçınmak için vakumda veya asal atmosferde ısıtılabilir. Vakumda piroliz ayrıca yan ürünlerin kaynama noktasını düşürerek geri kazanımlarını iyileştirir.Organik madde açık kaplarda artan sıcaklıklarda ısıtıldığında aşağıdaki işlemler genellikle birbirini takip eden veya üst üste binen aşamalarda gerçekleşir:Yaklaşık 100 °C altında bir miktar su dahil uçucular buharlaşır. C vitamini ve proteinler gibi ısıya duyarlı maddeler bu aşamada zaten kısmen değişebilir veya ayrışabilir.Yaklaşık 100'de °C de veya biraz daha yüksek olduğunda yalnızca artık kalan su buharlaşır. Kristal yapısında kalan suyun hidratları biraz daha yüksek sıcaklıklarda gelebilirler. Bu işlem çok yüksek enerji tüketir bu nedenle bu aşama tamamlanana kadar sıcaklık yükselmesi durabilir.100 ile 500 °C arasında birçok yaygın organik molekül parçalanır. Çoğu şekerler 160-180 °C'de ayrışmaya başlar. Ahşap, kağıt ve pamuklu kumaşların önemli bir bileşeni olan selüloz yaklaşık 350 °C ‘de başka önemli ahşap bileşen olan Lignin yaklaşık 350 °C'de ayrışmaya başlar ancak 500°C’ye kadar uçucu ürünleri çıkarmaya devam eder. Bozunma ürünleri genellikle su, karbon monoksit  ve/veya karbon dioksit , yanı sıra çok sayıda organik bileşiklerdir. Gazlar ve uçucu ürünler numuneyi terk eder ve bazıları tekrar duman olarak yoğunlaşabilir. Genellikle bu işlem aynı zamanda enerjiyi de emer. Bazı uçucular tutuşup yanarak görünür bir alev oluşturabilir. Uçucu olmayan kalıntılar genellikle karbonca zenginleşir ve renkleri kahverengi ile siyah arasında değişen büyük düzensiz moleküller oluşturur. Bu noktada maddenin "kömürleşmiş" veya "karbonlanmış" olduğu söylenir.200–300 °C de eğer oksijen dışlanmadıysa karbonlu kalıntı oldukça ekzotermik bir reaksiyonla genellikle hiç görünür alev olmadan veya çok az alevle yanmaya başlayabilir. Karbon yanması başladığında sıcaklık kendiliğinden yükselir, tortuyu parlayan bir köze dönüştürür ve karbondioksit ve/veya karbon monoksit salar. Bu aşamada, kalıntıda kalan azotun bir kısmı  ve   gibi azot oksitlere oksitlenebilir. Kükürt ve klor ve arsenik gibi diğer elementler bu aşamada oksitlenebilir ve buharlaşabilir.Karbonlu tortunun yanması tamamlandıktan sonra genellikle yüksek erime noktalı inorganik oksitlenmiş malzemelerden oluşan bir toz veya katı mineral tortusu (kül) kalır. Külün bir kısmı yanma sırasında çıkmış, uçucu kül veya partikül emisyonu olarak gazlar tarafından sürüklenmiş olabilir. Asıl maddede bulunan metaller genellikle külde oksitler veya potas gibi karbonatlar olarak kalır. Kemik, fosfolipidler ve nükleik asitler gibi malzemelerden elde edilen fosfor genellikle fosfat olarak kalır.Karamelize soğanlar hafifçe piroliz edilir.Bu pizza pirolize olup neredeyse tamamen kömürleşmiştir.Pirolizin yiyecek hazırlamada birçok uygulaması vardır. Karamelizasyon gıdalardaki şekerlerin pirolizidir (genellikle polisakkaritlerin parçalanmasıyla şekerler üretildikten sonra). Yemek kahverengiye döner ve tadı değişir. Ayırt edici tatlar birçok yemekte kullanılır; örneğin karamelize soğan, Fransız soğan çorbasında kullanılır. Karamelizasyon için gerekli sıcaklıklar suyun kaynama noktasının üzerindedir. Kızartma yağı kolayca kaynama noktasının üzerine çıkabilir. Kızartma tavasına bir kapak koymak suyu içeride tutar ve bir kısmı yeniden yoğunlaşarak sıcaklığı daha uzun süre kahverengiye kadar soğuk tutar.Yiyeceklerin pirolizi yanmış yiyeceklerin kömürleşmesi gibi (çok alçak sıcaklıklarda karbonun oksidatif yanmasının alev çıkarıp yiyeceği kül yapması) olduğu gibi istenmeyen bir işlem de olabilir.Karbon ve karbonca zengin malzemeler istenen özelliklere sahiptir ancak yüksek sıcaklıklarda bile uçucu değildir. Sonuçta piroliz birçok türde karbon yapmak için kullanılır; bunlar yakıt için çelik yapımında (kok) reaktifler ve yapısal malzemeler olarak kullanılabilir.Kömür piroliz olmuş oduna göre daha az dumanlı bir yakıttır). Bazı şehirler odun yakılmasını yasaklar veya yasaklamak için kullanılır; sakinler yalnızca odun kömürü (ve kok olarak adlandırılan benzer şekilde işlenmiş kaya kömürü) kullandıklarında hava kirliliği önemli ölçüde azalır. İnsanların genellikle ateşle yemek pişirmediği veya ısıtmadığı şehirlerde buna gerek yoktur. 20. yüzyılın ortalarında Avrupa'daki "dumansız" mevzuat hava kirliliğini azaltmak için etkili bir önlem olarak kok yakıtı ve dumanla yakılan yakma fırınları gibi daha temiz yakma tekniklerini gerekli kıldı.Kok yapma veya "koklaştırma" işlemi "kok fırınlarında" malzemeyi çok yüksek sıcaklıklara (  çıkarılır böylece bu moleküller kaptan çıkan daha hafif uçucu maddelere ve çoğunlukla karbon ve inorganik kül olan gözenekli ama sert bir tortuya bölünürler. Uçucu madde miktarı kaynak malzemeye göre değişir, ancak genelde ağırlıkça % 25-30'dur. Kömürü koka dönüştürmek için endüstriyel ölçekte yüksek sıcaklıkta piroliz kullanılır. Bu çelik yapımı gibi birçok işlem için daha yüksek sıcaklıkların gerekli olduğu metalurjide yararlıdır. Bu işlemin uçucu yan ürünleri de, benzen ve piridin dahil olmak üzere sıklıkla faydalıdır. Kok, petrol arıtımından kalan katı artıklardan da üretilebilir.Ahşabın asıl damar yapısı ve dışarı çıkan gazların oluşturduğu gözenekler hafif ve gözenekli bir malzeme oluşturmak için birleşir. Ceviz kabukları veya şeftali taşları gibi yoğun ahşap benzeri bir malzeme ile başlayarak, özellikle ince gözenekli (ve dolayısıyla çok daha büyük bir gözenek yüzey alanına) sahip, aktif karbon adı verilen ve bir yüzeyde adsorban olarak kullanılan bir odun kömürü formu elde edilir. çok çeşitli kimyasal maddeler.Biochar örneğin pişirme ateşlerinden çıkan eksik organik piroliz kalıntısıdır. Amazon havzasının eski yerli topluluklarıyla ilişkili terra preta topraklarının önemli bir bileşenidir. Terra preta yerel çiftçilerce bölgenin tipik kırmızı toprağına kıyasla daha çok yararlı mikrobiyotayı teşvik etme ve koruma kapasitesinden dolayı çok aranır. Çoğunlukla organik atıklar olmak üzere çeşitli materyallerin pirolizinin katı kalıntısı olan biochar yoluyla bu toprakları yeniden yaratmak için çalışmalar devam etmektedir.Karbon lifler, çok güçlü iplikler ve tekstiller yapmak için kullanılabilen karbon filamentleridir. Karbon fiber ürünler genellikle  uygun polimerin elyaflarından eğirme ve istenen öğenin dokunması ve sonra   derecelik yüksek bir sıcaklıkta malzemeyi piroliz yaparak üretilir. İlk karbon lifleri suni ipekden yapılmıştır ancak poliakrilonitril en yaygın başlangıç malzemesi haline gelmiştir. Çalışabilir ilk elektrik lambaları için Joseph Wilson Swan ve Thomas Edison sırasıyla pamuk ipliklerinin ve bambu kıymıklarının pirolizi ile yapılan karbon filamentleri kullandılar.Piroliz önceden oluşturulmuş bir altlığı pirolitik karbon tabakası ile kaplamak için kullanılan reaksiyondur. Bu genelde  C'ye ısıtılan akışkan yataklı bir reaktörde yapılır. Pirolitik karbon kaplamalar yapay kalp kapakçıkları da dahil olmak üzere birçok uygulamada kullanılır.<ref name="ratner">Piroliz biyokütleden yani odunlu selülozik biyokütleden yakıt üretmek için çeşitli yöntemlerin temelidir. Piroliz için biyokütle ham bitkileri olarak Kuzey Amerika kırsalı gibi otlardan dahil switchgress ve gibi diğer otların yetiştirilen sürümleri <i id="mwAT0">Miscantheus Giganteus</i> ürünleri çalışıldı. Piroliz için hammadde olarak diğer organik madde kaynakları arasında yeşil atık, talaş, atık odun, yapraklar, sebzeler, kabuklu yemişler, saman, pamuk çöpü, pirinç kabuğu ve portakal kabukları bulunur. Kümes hayvanı çöpü, süt gübresi ve potansiyel olarak diğer gübreler dahil olmak üzere hayvan atıkları da değerlendirme altındadır. Kağıt çamuru, damıtıcı tahıl ve kanalizasyon çamuru gibi bazı endüstriyel yan ürünler de uygun besleme stoklarıdır.Biyokütle bileşenlerinde hemiselülozun pirolizi 210-310 °C arasında gerçekleşir. Selülozun pirolizi 300-315 °C den başlar ve 360-380'C de biter 342-354 °C pik ile biter. Lignin yaklaşık 200'de °C de parçalanmaya başlar ve 1000' °C 'ye kadar devam eder.Organik malzemelerin pirolizi ile elde edilen sentetik dizel yakıtı henüz ekonomik olarak rekabetçi değildir. Daha yüksek verimlilik bazen ince bölünmüş besleme stoğunun hızla  arasında ısıtıldığı 2 saniyeden az sürede flaş piroliz ile elde edilir.Piroliz yoluyla üretilen yağların düşük kalitesi, üretim maliyetlerini artırabilecek, ancak koşullar değiştikçe ekonomik olarak anlamlı olabilecek fiziksel ve kimyasal işlemlerle  iyileştirilebilir.Ayrıca mekanik biyolojik arıtma ve anaerobik sindirim gibi diğer süreçlerle entegre olma olasılığı da vardır. Biyokütle dönüşümleri için hızlı piroliz de araştırılır. Yakıt biyo-yağı ayrıca sulu piroliz yoluyla da üretilebilir.Metan pirolizi katı karbonu doğal gazdan ayırarak metandan hidrojen üretimi için kirletmeyen endüstriyel bir işlemdir. Bu tek adımlı işlem, düşük maliyetle yüksek hacimde kirletmeyen hidrojen üretir. Yakıt hücreli elektrikli ağır kamyon taşımacılığı için yakıt olarak hidrojen kullanıldığında, gaz türbini elektrik enerjisi üretimi ve hidrojen endüstriyel işlemler. Metan pirolizi 1065 °C civarında işleyen bir süreçtir Karbonun kolayca uzaklaştırılmasına izin veren doğal gazdan hidrojen üretmek için(kirletmeyen katı karbon, işlemin bir yan ürünüdür). Endüstriyel kalitede karbon daha sonra satılabilir veya depolanabilir ve atmosfere salınmaz, sera gazı (GHG) emisyonu olmaz. Hacim üretimi, BASF "ölçekli metan pirolizi" pilot tesisinde  Karlsruhe Sıvı Metal Laboratuvarı (KALLA) gibi araştırma laboratuvarlarında ve Kaliforniya Üniversitesi - Santa Barbara'daki kimya mühendisliği ekibinde değerlendirilmektedir.Piroliz sanayide en büyük ölçekte üretilen kimyasal bileşik olan etileni üretmek için kullanılır (2005 yılında> 110 milyon ton/yıl). Bu süreçte petrolden gelen hidrokarbonlar yaklaşık  C'ye kadar ısıtılır. buhar varlığında; buna buharla çatlama denir. Elde edilen etilen, antifriz (etilen glikol ), PVC (vinil klorür yoluyla) ve polietilen ve polistiren gibi diğer birçok polimeri yapmak için kullanılır.Metalorganik buhar fazı epitaksi (MOCVD) işlemi yarı iletkenler, sert kaplamalar ve diğer uygulanabilir malzemeler vermek için uçucu organometalik bileşiklerin pirolizini gerektirir. Reaksiyonlar inorganik bileşenin birikmesi ve hidrokarbonların gaz halindeki atık olarak salınması ile öncüllerin termal bozunmasını gerektirir. Atom-atom birikimi olduğundan bu atomlar toplu yarı iletkeni oluşturmak için kendilerini kristaller halinde organize ederler. Silikon çipler silanın pirolizi ile üretilir:Bir başka yarı iletken olan galyum arsenit, trimetilgalyum ve arsinin birlikte pirolizi üzerine oluşur.Piroliz aynı zamanda kentsel katı atıkları ve plastik atıkları işlemek için de kullanılabilir. Asıl yararı atık hacminin azaltmasıdır. Prensipte piroliz, monomerleri muamele edilen polimerlere yeniden üretir, ancak pratikte işlem ne temiz ne de ekonomik monomer kaynağıdır.Lastik atık yönetiminde, lastik pirolizi iyi geliştirilmiş bir teknolojidir. Otomobil lastiği pirolizinden elde edilen diğer ürünler arasında çelik teller, karbon siyahı ve bitüm bulunur. Alanın, yasal, ekonomik ve pazarlama engelleri vardır. Lastik kauçuğunun pirolizinden elde edilen yağ, çok kükürtlüfür, bu yüzden çok kirleticidir ve kükürtten arındırılmalıdır.500 °C'lik düşük sıcaklıkta kanalizasyon çamurunun alkali pirolizi yerinde karbon yakalama ile H2 üretimini artırabilir. NaOH kullanımı yakıt hücreleri için H2-yönünden zengin gaz üretme kapasitesi vardır.Piroliz ayrıca termal temizleme için de kullanılır; polimerler, plastikler ve kaplamalar gibi organik maddeleri parçalardan, ürünlerden veya ekstrüder vidaları, düzeler ve statik karıştırıcılar gibi üretim bileşenlerinden çıkarmak için endüstriyel bir uygulamadır. Termal temizleme işlemi sırasında 310 C° ile 540 C° (600 °F ila 1000 °F) arasında organik materyal piroliz ve oksidasyon yoluyla uçucu organik bileşiklere, hidrokarbonlara ve karbonize gaza dönüştürülür inorganik elementlerse kalır.Erimiş Tuz Banyoları en eski termal temizleme sistemlerinden biridir; erimiş tuz banyosu ile temizlik çok hızlıdır, ancak tehlikeli sıçrama riski veya patlamalar veya yüksek derecede toksik hidrojen siyanür gazı gibi tuz banyolarının kullanımıyla bağlantılı diğer potansiyel tehlikeler anlamına gelir.Akışkan Yatak Sistemleri , ısıtma ortamı olarak kum veya alüminyum oksit kullanır; bu sistemler de çok hızlı temizler ancak ortam erimez veya kaynamaz veya herhangi bir buhar veya koku yaymaz; temizleme işlemi bir ila iki saat sürer.Vakumlu Fırınlar, temizleme odası içinde kontrolsüz yanmayı önlemek için vakumda  piroliz kullanır; temizleme işlemi 8  ila 30 saat sürer.Isı Temizleme Fırınları olarak da bilinen Yanma Fırınları, gazla ateşlenir ve boya, kaplama, elektrik motorları ve plastik endüstrilerinde ağır ve büyük metal parçalardan organik maddelerin uzaklaştırılması için kullanılır.Piroliz araştırma laboratuvarında sadece değil esas olarak kimyasal bileşiklerin üretiminde kullanılır.Bor hidrür kümelerinin alanı, diboranın (B2H6) pirolizinin yakl. 200 °C. ürünleri pentaboran ve dekaboran kümelerini içerir. Bu ısıl bozulmaya uğrar sadece (H2 elde etmek üzere) aynı zamanda yeniden çatlama dahil yoğunlaştırma gerektirir.Nanopartiküllerin sentezi zirkonyumun  ve oksitler, ultrasonik sprey piroliz (USP) adı verilen bir işlemde ultrasonik bir meme kullanılarak sentezi.Pirolizi tütün, kağıt ve katkı maddeleri içinde sigara ve diğer ürünler, (dahil olmak üzere birçok uçucu ürünleri üreten nikotin, karbon monoksit ve katran, aroma ve sorumludur) sağlık etkileri arasında sigara . Esrar içilmesi ve tütsü ürünleri ile sivrisinek bobinlerinin yakılması için de benzer hususlar geçerlidir.Piroliz, çöplerin yakılması sırasında meydana gelir ve potansiyel olarak toksik olan veya tamamen yanmazsa hava kirliliğine katkıda bulunan uçucu maddeler üretir.Laboratuvar veya endüstriyel ekipman, bazen sıcak yüzeylerle temas eden organik ürünlerin pirolizi olan koklaşmadan kaynaklanan karbonlu artıklarla kirlenir.Polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH'lar) hemiselüloz, selüloz, lignin, pektin, nişasta, polietilen (PE), polistiren (PS), polivinil klorür (PVC) gibi farklı katı atık fraksiyonlarının pirolizinden üretilebilir ve polietilen tereftalat (PET). PS, PVC ve lignin önemli miktarda PAH üretir. Naftalin tüm polisiklik aromatik hidrokarbonlar arasında en bol bulunan PAH'dır.Sıcaklık 500 °C'den 900'°C ye çıktığında çoğu PAH'lar artar. Sıcaklığın artmasıyla hafif PAH'ların yüzdesi azalır ve ağır PAH'ların yüzdesi artar.Termogravimetrik analiz (TGA) ısı ve kütle transferinde herhangi bir sınırlama olmaksızın pirolizi araştırmak için en yaygın tekniklerden biridir. Sonuçlar kütle kaybı kinetiğini belirlemek için kullanılabilir. Aktivasyon enerjileri Kissinger yöntemi veya tepe analizi-en küçük kareler yöntemi (PA-LSM) kullanılarak hesaplanabilir.TGA Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve kütle spektrometresi ile birleşebilir.Sıcaklık arttıkça pirolizden oluşan uçucular ölçülebilir.TGA'da sıcaklık artışından önce numune yüklenir ve ısıtma hızı düşüktür (100 °C min−1 den az). Macro-TGA kütle ve ısı transferi etkileri ile pirolizin araştırılmasında kullanılabilen gram düzeyinde numuneler kullanabilir.Piroliz kütle spektrometresi (Py-GC-MS), bileşiklerin yapısını belirlemek için önemli bir laboratuvar prosedürüdür.Piroliz eski çağlardan beri ahşabı odun kömürüne dönüştürmek için kullanılmıştır. Eski Mısırlılar mumyalama işlemlerinde ahşabın pirolizinden elde ettikleri metanol kullandılar. Ahşabın kuru damıtılması 20. yüzyılın başlarında metanolün başlıca kaynağı olmaya devam etti.8. yüzyıl Halifelik filozofu Jabir ibn Hayyan (Batı'da Geber olarak bilinir), sülfürik, hidroklorik ve nitrik asitleri ve ayrıca aqua regia'yı keşfetmek için kullandığı imbik geliştirmesi yanı sıra diğer tuzlarla karıştırılmış vitriolün kuru damıtılmasıyla nedeniyle deneysel kimyanın babası olarak kabul edilebilir. Bu keşifler Pseudo-Geber'ın kitapları aracılığıyla 14. yüzyılda Avrupa'da tanındı. Piroliz aynı zamanda fosfor (amonyum sodyum hidrojen fosfat  </br> </br>  konsantre idrarda) ve oksijen (cıva oksit ve çeşitli nitratlardan) gibi birçok önemli kimyasal maddenin keşfinde etkili olmuştur..