Patates atığından termokimyasal gazlaştırma ile hidrojen üretimi ve modellenmesi
Hydrogen generation through thermochemical gasification of potato waste and modelling
Yazar: ÖZLEM YILMAZ
Danışman: PROF. DR. NEZİHE AYAS
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında cips fabrikası patates atığının (biyokütle) süperkritik su koşullarında gazlaştırılması ile H2 eldesinde uygun reaksiyon koşulları araştırılmıştır. Gazlaştırma sırasında gerçekleşen temel reaksiyonlardan biri olan su-gaz yer değiştirme reaksiyonunun kinetiği incelenmiştir.
Reaksiyon parametrelerinden hızlandırıcı/katalizör tipinin (Ca(OH)2, Ru/C, Ru/C:Ca(OH)2, CaCO3), sıcaklık (400, 450, 500, 550, 600oC), basınç (220, 270, 290 bar), süre (20, 30, 60 dk), Ca(OH)2 oranı (%10, 20, 30, 50, 70 (% a/a hızlandırıcı/biyokütle)) ve biyokütle oranının (%1,00, 1,75, 2,00, 5,00 (% a/a biyokütle/su)) hidrojen verimine etkisi belirlenmiştir. Uygun reaksiyon koşulu 600oC, 270 bar, 30 dk, %20 Ca(OH)2 ve %1,75 biyokütle oranı olarak tespit edilmiştir. Bu koşullarda H2 verimi ve gazlaştırma etkinliği sırasıyla 34,88 mol/kg biyokütle ve %98,93 olarak belirlenmiştir. Aynı koşullarda Ru/C varlığında 41,77 mol H2/kg biyokütle verim elde edilirken reaksiyon ortamına Ca(OH)2 eklenmesiyle maksimum verime (44,02 mol H2/kg biyokütle) ulaşılmıştır. 
Planckett-Burman deney tasarım yöntemi kullanılarak CaCO3 varlığında optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. %1,75 biyokütle oranında sıcaklık (400, 500, 600oC), süre (10, 20, 30 dk) ve CaCO3 oranı (%10, 20, 30) değişken olarak seçilmiş olup optimum gazlaştırma koşulu 600oC, %30 CaCO3 oranı ve 30 dk olarak belirlenmiştir. Minitab 14 paket programı kullanılarak belirlenen teorik H2 verimi 29,79 mol/kg biyokütle iken deneysel olarak 32,16 mol/kg biyokütle sonucuna ulaşılmıştır.
H2 verimini doğrudan etkileyen su-gaz yer değiştirme reaksiyonunun farklı sıcaklık (350, 400, 450oC) ve 3:1 H2O:CO molar oranında kinetiği incelenmiştir. Katalizörsüz ve Ru/C ile gerçekleştirilen çalışmalar sonrasında aktivasyon enerjisinin sırasıyla 158,42 ve 69,45 kJ/mol olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of this study was to determine the suitable gasification reaction conditions of potato waste (biomass), supplied from a chips factory, in order to enhance the hydrogen yield in a gas product. In addition kinetics of water gas shift reaction which is one of the basic reactions in biomass gasification was investigated. 
The effect of various reaction parameters such as promoter/catalyst type (Ca(OH)2, Ru/C, Ru/C:Ca(OH)2, CaCO3), temperature (400, 450, 500, 550, 600oC), pressure (220, 270, 290 bar), time (20, 30, 60 min), Ca(OH)2 ratio (0, 10, 20,30, 50, 70 (wt/wt promoter/biomass)) and biomass concentration (1.00, 1.75, 2.50, 5.00 (wt/wt biomass/water)) on H2 yield were investigated. Suitable reaction conditions were determined as 600oC, 270 bar, 30 min and 1.75% biomass concentration in the presence of 20% Ca(OH)2 with the H2 yield of 34.88 mol/kg biomass and gasification efficiency of 98.93%. While hydrogen yield was 41.77 mol/kg biomass in the presence of Ru/C, it increased to 44.02 mol/kg biomass by adding Ca(OH)2 into the reaction media at the same reaction conditions.
Plackett-Burman design was applied to evaluate the effect of reaction parameters such as temperature (400, 500, 600oC), time (10, 20, 30 min) and CaCO3 ratio (10, 20, 30 %) at a constant biomass concentration of 1.75 %. Optimum condition is defined as 600oC, 30% CaCO3 and 30 min. While the experimental yield of 32.16 mol H2/kg biomass was achieved, theoretical yield of 29.79 mol H2/kg biomass was determined using Minitab 14 package. 
Kinetics of water gas shift reaction which is directly affects the yield of H2 was investigated at the temperature from 350 to 400oC and 3:1 H2O:CO molar ratio. The activation energies of non-catalytic and catalytic (Ru/C) reactions were determined as 158.42 and 69.45 kJ/mol, respectively.