Silis dumanı destekli sıfır değerlikli nano demir kompozitin sentezlenmesi ve biyoyağ üretimi için katalizör olarak etkinliği
The synthesis of silica fume supported nano zero-valent iron composite and effectiveness as a catalyst for a bio oil production
Yazar: KÜBRA ERSÖZ
Danışman: DOÇ. DR. BAHAR BAYRAK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde artan enerji ihtiyacını karşılamak için çevreye zararlı fosil yakıtların yerine
alternatif enerji kaynakları araştırılmaktadır. Doğada bulunan çevreye zararsız biyokütlelerden
elde edilen enerji, güvenilir ve temiz enerji kaynağı olarak kullanımı giderek artmaktadır. Bu
çalışmada biyokütle kaynağı olarak doğada atık halde bulunan çevreye zararsız ceviz kabuklarının
sıvılaştırılması ile alternatif yakıt üretimi hedeflenmektedir. Bu amaçla baca gazı atıklarından olan
silis dumanı desteğinde sıfır değerlikli nano demir katalizör olarak kullanılmıştır. Böylece hem
atıkların değerlendirilmesi hem de sıvılaştırma verimini artırmak amaçlanmaktadır. Elde edilen
katalizörün doğrudan sıvılaştırma verimi üzerine etkisi; sıcaklık, süre, katı/çözücü oranı ve
katalizör miktarı parametreleri birlikte incelenecektir.
Yöntem: Bu çalışma üç temel aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada silis dumanı destekli nano
sıfır değerlikli demir katalizörün sıvı faz kimyasal redüksiyon yöntemi ile elde edilmesi ve ikinci
aşamada biyokütlenin sıvılaştırılması gerçekleştirilmiştir. Farklı parametrelerin katalitik ve
katalitik olmayan koşullarda sıvılaştırma üzerine etkisi incelenmiştir. Üçüncü aşamada ise elde
edilen biyo yağ ve çarların yakıt özelliklerinin belirlenmesi için birçok analiz gerçekleştirilmiştir.
Bulgular: Sentezlenen SD/NZVI katalizörünün karakterizasyonu yapılmıştır. SEM
görüntülerinde silis dumanı desteği üzerine nano demirin çubuk yapılar halinde bağlandığı
görülmüştür. TEM mikrografından elde edilen veriler ile 80-240nm nano yapılar oluştuğu
bulundu. BET sonuçlarında katalizör yüzey alanı SD için 22,82 m2
/g'dan, SD/NZVI için 44,13 m 2 /g'a yükselmiştir. FTIR sonuçları ile metalik yapıların yüzeyle oluşturduğu bağlar ve silis dumanına ait pikler gözlendi. XRD sonuçları ile nano demirin ve demirin oksitlenmiş formlarının
varlığı gösterildi.
%(Yağ+gaz) dönüşümü; sıcaklık artırıldığında %35,1'den %46,7'ye, reaksiyon süresinin
artırılmasıyla %32,2'den %46,5'e artmıştır. Benzer olarak katı/çözücü oranının artırılması
%(yağ+gaz) dönüşümünü %28,0'den %47,5'e artırmıştır. Ayrıca aynı şartlarda katalitik olmayan
koşullarda %42,5 olan %(yağ+gaz) dönüşümü %6 katalizör kullanıldığında %65,3'e yükselmiştir.
Elde edilen biyoyağların GC/MS analizlerine göre önemli ölçüde aromatik ve poliaromatik
bileşiklerden oluştuğu bulunmuştur.
Sıcaklık, reaksiyon süresi, katı/çözücü oranı ve katalizör miktarının artışıyla beraber çar verimi
düşmüştür. Çar veriminin düşmesi, toplam dönüşümün ve sıvı ürün miktarında artış olduğunu
kanıtlamaktadır. Ayrıca çarlara ait üst ısıl değerleri, başlangıçtaki ceviz kabuğuna kıyasla %16.57-
92.07 arasında artış göstermiştir.
Sonuç: Biyokütlenin silis dumanı destekli nano sıfır değerlikli demir varlığında doğrudan
sıvılaştırılması işleminde, katalizörün uygun koşullarda verimi artırdığı tespit edilmiştir. Elde
edilen biyoyağın yakıt veya yakıt türevi olarak kullanılabildiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Purpose: Nowadays, alternative energy sources are being researched instead of environmentally
harmful fossil fuels to meet the increasing energy demand. Energy obtained from environmentally
harmless biomass in nature is increasing its use as a reliable and clean energy source. In this
study, it is aimed to produce alternative fuel by liquefying environmentally friendly walnut shells,
which are waste in nature as a biomass source. For this purpose, nano-zero-valent iron was used
as a catalyst in the support of silica fume, which is a flue gas waste. Thus, it is aimed to both
evaluate the wastes and increase the liquefaction efficiency. The effect of the obtained catalyst on
the direct liquefaction yield will be investigated together with the parameters of temperature, time,
solid/solvent ratio and catalyst amount.
Method: This study consists of three main stages. In the first stage, silica fume supported 
nanozerovalent iron catalyst was obtained by liquid phase chemical reduction method, and 
in the second stage, the liquefaction of the biomass was carried out. The effects of different parameters
on liquefaction with and without catalyst were investigated. In the third stage, many analyzes
were carried out to determine the fuel properties of the obtained bio oil and chars.
Findings: Characterization of the synthesized SD/NZVI catalyst was performed. In SEM images,
it was seen that nano iron was bonded as rod structures on silica fume support. It was found that
80-240nm nanostructures were formed with the data obtained from the TEM micrograph. In the
BET results, the catalyst surface area increased from 22.82 m2 /g for SD to 44.13 m2
/g for SD/NZVI. The bonds formed by the metallic structures with the surface and the peaks of silica
fume were observed with the FTIR results. The presence of nano-iron and oxidized forms of iron
was demonstrated by XRD results.
%(Oil+gas) conversion increased from 35.1% to 46.7% with increasing temperature, and from
32.2% to 46.5% with increasing reaction time. Similarly, increasing the solid/solvent ratio
increased the %(oil+gas) conversion from 28.0% to 47.5%. In addition, %(oil+gas) conversion,
which was 42.5% when no catalyst was used under the same conditions, increased to 65.3% when
6% catalyst was used. According to the GC/MS analysis of the obtained bio-oils, it was found that
it consisted of aromatic and polyaromatic compounds to a significant extent. Char yield decreased
with increasing temperature, reaction time, solid/solvent ratio, and catalyst amount. The decrease
in char yield proves an increase in the total conversion and the amount of liquid product. In
addition, the higher heating values of the chars increased between 16.57 and 92.07% compared to
the initial walnut shell.
Results: In the process of direct liquefaction of biomass in the presence of silica fume supported
nano-zerovalent iron, it was determined that the catalyst increased the efficiency under suitable
conditions. It has been determined that the obtained bio-oil can be used as a fuel or a fuel
derivative.