Antep fıstığı, badem, ceviz ve fındık kabuğunun piroliz kinetiği ve termodinamik parametrelerinin incelenmesi
Investigation of pyrolysis kinetics and thermodynamic parameters of pistachio, almond, walnut and hazelnut shells
Yazar: MEHMET SERCAN SARAÇOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MELTEM KIZILCA ÇORUH
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Antep fıstığı = Pistachio ; Badem = Almond tree ; Kinetik = Kinetics ; Termodinamik = Thermodynamics ; Termogravimetri = Thermogravimetry

Özet:
Amaç: Tarımsal atık olarak kullanılan Antep fıstığı, badem, ceviz ve fındık kabuğunun piroliz koşullarında elde edilen termogravimetrik analiz verileri üzerinden kinetik ve termodinamik parametrelerin hesaplanması ve reaksiyon mekanizması belirlenmesi amaçlanmıştır. 
Yöntem: Çalışmada bitkisel biyokütle kaynakları olan antep fıstığı, badem, ceviz ve fındık kabuklarının termogravimetrik analiz (TGA/DTG) yöntemleriyle yüksek sıcaklıkta termal bozunma davranışları incelenmiştir. 25-900 oC sıcaklık aralığında azot ortamında 5, 10, 20 ve 25 oC.min-1 ısıtma hızlarında gerçekleştirilmiştir. Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) ve model bazlı metot Coats-Redfern (CR) metodu ile aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Reaksiyon mekanizması ve pre-exponantial faktör ise Coats-Redfern metodu ile belirlenmiştir. Termodinamik özellikler, termodinamik eşitlikler kullanılarak hesaplanmıştır. Biyokütle kaynakları taramalı elektron mikroskopu (SEM-EDS) ve Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analizi ile karekterize edilmiştir.
Bulgular:  FWO ve KAS metoduna göre hesaplanan ortalama 𝛥H değerleri:  Antep fıstığı için FWO 105,11 kj.mol-1; KAS için ise 97,54 kj.mol-1; Badem kabuğu için FWO 124,52 kj.mol-1; KAS için ise 114,55 kj.mol-1; ceviz kabuğu için FWO 115,57 kj.mol-1; KAS için ise 108,47 kj mol-1; fındık kabuğu için FWO 106,46 kj.mol-1; KAS için ise 98,17 kj.mol-1 olarak hesaplanmıştır. FWO ve KAS metoduna göre hesaplanan 𝛥S değerleri:  Antep fıstığı için FWO metoduna göre -85,21 ve -132,66 kj.mol-1; KAS metoduna göre ise -73,36 ve -116,68 kj.mol-1; Badem kabuğu için FWO metoduna göre -5,93 ve -112,01 kj.mol-1; KAS metoduna göre ise -42,51 ve -127,44 kj.mol-1; ceviz kabuğu için FWO metoduna göre -30,45 ve -140,10 kj.mol-1; KAS metoduna göre ise -85,51 ve -172,17 kj.mol-1; fındık kabuğu için FWO metoduna göre -50,54 ve -129,76 kj.mol-1; KAS metoduna göre ise -67,10 ve -147,51 kj.mol-1 olarak hesaplanmıştır. FWO ve KAS metoduna göre hesaplanan ortalama 𝛥G değerleri:  Antep fıstığı için FWO 169,44 kj.mol-1; KAS için ise 153,87 kj.mol-1; Badem kabuğu için FWO 160,26 kj.mol-1; KAS için ise 160,63 kj.mol-1; ceviz kabuğu için FWO 176,18 kj.mol-1; KAS için ise 195,83 kj.mol-1; fındık kabuğu için FWO 159,69 kj.mol-1; KAS için ise 160,62 kj.mol-1 olarak hesaplanmıştır. FWO ve KAS metoduna göre hesaplaman aktivasyon enerjilerine göre kullandığımız biyokütle örneklerinin kinetik modellerinin I. Bölgede F modellerinden ve II. bölgede D modellerinden birisi olduğu görülmüştür. Elementel ve kısmı analiz sonuçlarına göre Antep fıstığının diğer örneklere göre iyi bir biyoenerji kaynağı olabileceği gibi oranlarda yakıtlarla karıştırılabileceği düşünülmektedir. 
Sonuç: Antep fıstığı, badem, ceviz ve fındık kabuğunun piroliz, süreçlerinin geliştirilebilmesi, tasarlanabilmesi ve optimize edilebilmesi mümkün olabileceğinden yapılan çalışma ile mevcut biyokütle örneklerinin piroliz prosesi ile değerlendirilmesine olanak sağlayacak ve sanayi sektöründe yenilenebilir, çevre dostu yakıt maddelerin üretiminin tasarımının önü açılacaktır.
Anahtar Kelimeler: TGA, DTG, FWO-KAS metodu, CR metodu, Kinetik, Termodinamik
Eylül 2022, 77 sayfa

Abstract:
Purpose: It is aimed to calculate the kinetic and thermodynamic parameters and determine the reaction mechanism through the thermogravimetric analysis data obtained under pyrolysis conditions of pistachio, almond, walnut and hazelnut shells used as agricultural waste.
Method: In the study, the thermal decomposition behavior of pistachio, almond, walnut and hazelnut shells, which are plant biomass sources, at high temperature was investigated by thermogravimetric analysis (TGA/DTG) methods. It was carried out at heating rates of 5, 10, 20 and 25oC.min-1 in nitrogen environment in the temperature range of 25-900oC. Activation energy was calculated by Flynn-Wall-Ozawa (FWO) Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)-and model-based method Coats-Redfern (CR) method. The reaction mechanism and pre-exponantial factor were determined by the Coats-Redfern method. Thermodynamic properties were by calculated using thermodynamic equations. Biomass sources were characterized by scanning electron microscopy (SEM-EDS) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis.
Results: Average 𝛥H values calculated according to the FWO and KAS method: FWO for pistachio 105.11 kj.mol-1; 97.54 kj.mol-1 for KAS; FWO 124.52 kj.mol-1 for almond bark; 114.55 kj.mol-1 for KAS; FWO 115.57 kj.mol-1 for walnut shell; 108.47 kj mol-1 for KAS; FWO 106.46 kj.mol-1 for hazelnut shell; For KAS, it was calculated as 98.17 kj.mol-1. 𝛥S values calculated according to FWO and KAS method: -85.21 and -132.66 kj.mol-1 for pistachio according to FWO method; According to the KAS method, -73.36 and -116.68 kj.mol-1; -5.93 and -112.01 kj.mol-1 according to the FWO method for almond bark; According to the KAS method, -42.51 and -127.44 kj.mol-1; -30.45 and -140.10 kj.mol-1 for walnut shell according to FWO method; According to the KAS method, -85.51 and -172.17 kj.mol-1; -50.54 and -129.76 kj.mol-1 for hazelnut shell according to the FWO method; According to the KAS method, it was calculated as -67.10 and -147.51 kj.mol-1. Average 𝛥G values calculated according to FWO and KAS method: FWO 169.44 kj.mol-1 for pistachio; 153.87 kj.mol-1 for KAS; FWO 160.26 kj.mol-1 for almond bark; For KAS, 160.63 kj.mol-1; FWO 176.18 kj.mol-1 for walnut shell; For KAS, 195.83 kj.mol-1; FWO 159.69 kj.mol-1 for hazelnut shell; For KAS, it was calculated as 160.62 kj.mol-1. According to the activation energies calculated according to the FWO and KAS method, the kinetic models of the biomass samples we used were different from the F models in the I. Region and the II. It was observed that there is one of the D models in the region. According to the results of elemental and partial analysis, it is thought that pistachio can be a good bioenergy source compared to other samples and can be mixed with fuels in proportions.
Conclusion: Since it is possible to develop, design and optimize the pyrolysis processes of pistachios, almonds, walnuts and hazelnut shells, the study will enable the evaluation of existing biomass samples with the pyrolysis process, and the design of the production of renewable, environmentally friendly fuel materials in the industrial sector will be paved.
Key Words: TGA, DTG, FWO-KAS method, CR method, Kinetic, Thermodynamics
September 2022, 77 paper