Orman biyokütlesinden (Paulownia elongota ağacı) aktif karbon ve katalitik piroliz ile biyoyakıt üretiminin incelenmesi
Investigation of activated carbon and bio-oil production by catalytic pyrolysis from forest biomass (Paulownia elongota tree)
Yazar: DERYA YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. SAİT YORGUN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Enerji tüketimi ülkelerin gelişmişlik düzeyinin en önemli göstergelerinden biridir. Günümüzde petrol, doğal gaz ve kömür (fosil yakıtlar) enerji üretiminde en büyük paya sahiptir. Fosil yakıt rezervlerinin tükenmekte oluşu ve çevre sorunlarına neden olması yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi hızla artırmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında olan biyokütleden sıvı yakıt ve aktif karbon üretimi bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır. 

Bu çalışmada bir orman biyokütlesi olan Paulownia (P. elongota) ağacı biyokütle kaynağı olarak seçilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, sıvı yakıt ve kimyasal hammadde üretimi amacıyla değişik koşularda sabit yatak reaktöründe odunun pirolizi gerçekleştirilmiştir. Statik piroliz ortamında hammaddenin pirolizi yapılmış, ısıtma hızı (10, 50°C/dk) ve piroliz sıcaklığının (300, 400, 500, 600°C) piroliz ürün verimlerine etkisi araştırılmıştır. Sürükleyici gaz (azot) ortamında hammaddenin ısıl pirolizi yapılarak sürükleyici gaz akış hızı (50, 100, 200, 300 ml/dk) ve parçacık boyutunun (0,224-1,8 mm)  piroliz ürün verimlerine etkisi araştırılmıştır. Katalitik piroliz ortamında ise katalizör (Sodyumkarbonat, ZSM-5, sepiolit) ve katalizör oranının (% 10, 20, 40, 60, 80) piroliz ürün verimlerine etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sıvı ürünün yapısının aydınlatılması amacıyla FT-IR ve 1H-NMR, GC-MS spektrumları alınmış, elementel analizleri gerçekleştirilmiş ve ısıl değerleri belirlenmiştir.

Çalışmanın ikinci aşamasında Paulownia odunundan fosforik asit kimyasal aktivasyonu ile aktif karbon üretimi gerçekleştirilmiş, emdirme oranı (1-4) ve karbonizasyon sıcaklığının (300, 400, 500, 600°C) aktif karbon verimine, BET yüzey ve mikro/mezogözenek alanı ve toplam gözenek ve mikro/mezogözenek hacmine etkisi incelenmiştir. Ayrıca aktif karbonların FT-IR spektrumları alınarak yüzey fonsiyonel grupları belirlenmiş, SEM görüntüleri ile gözenek yapıları incelenmiştir.

Abstract:
Energy consumption is one of the most important indicators of the development level of the countries. Today, crude oil, natural gas and coal (fossil fuels) have the largest shares of energy production. The windling of the fossil fuel reserves and environmental problems resulted from their combustion is increasing the approach to the renewable energy sources rapidly. The production of liquid fuel and activated carbon from biomass, which is among the renewable energy sources, is the aim of this study.

In this study, Paulownia (P. elongata) tree which is a forest biomass was chosen as a source of biomass. In the first phase of the study, the pyrolysis of wood was carried out in the fixed bed reactor under various conditions in order to increase the production of liquid fuels and chemical raw materials. The pyrolysis of raw material was performed in the static atmosphere and the effects of the heating rate (10, 50°C/min) and the pyrolysis temperature (300, 400, 500, 600°C) on pyrolysis product yields were investigated. The pyrolysis of the raw material was performed in the nitrogen atmosphere and the effects of the sweep gas flow rate (50, 100, 200, 300 ml/min) and the particle size (0.224-1.8 mm) on the pyrolysis conversion and product yields were investigated. In the catalytic pyrolysis, the effects of the catalyst (sodium carbonate, ZSM-5, sepiolite) and the catalyst ratio (% 10, 20, 40, 60, 80) on the product yields were investigated. In order to elucidate the structure of the obtained liquid product, the FT-IR, 1H-NMR and GC-MS spectra were taken, thermal and elemental analyses were performed and the heating values were determined.

In the second stage of the study, the production of activated carbon by chemical activation of phosphoric acid from paulownia wood was achieved, the effect of the impregnation ratio (1-4) and carbonization temperature (300, 400, 500, 600°C) on the yield of activated carbon, BET surface micro/mesogopore area and total pore and micro/mesopore volumes were investigated.