Karbon dioksit giderimi için yeni süreç geliştirilmesi
Development of a novel process for carbondioxide fixation
Yazar: MURAT EFGAN KİBAR
Danışman: PROF. DR. AYŞE NİLGÜN AKIN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tezde, sodyum metaborat (NaBO2) ile karbondioksit (CO2) arasındaki karbonlama tepkimesiyle karbondioksit giderimi detaylı olarak çalışılmıştır. NaBO2, sodyum borhidrürün (NaBH4) hidroliz tepkimesi yan ürünüdür, CO2 ise sera gazıdır.  Bu sebeple bu kimyasalların ticari değeri olan başka kimyasallara dönüştürülmesi hem hidrojen ekonomisine katkı hem de küresel ısınma sorununa destek olması bakımından önem taşımaktadır. Sunulan tezde, katı faz karbonlama tepkimesi için hidrasyon faktörü, fırın tipi, kalsinasyon sıcaklığı ve ortamı gibi tepkime parametreleri çalışılmış ve optimize edilmiştir. Ayrıca gaz-çözelti karbonlama tepkimesinde sıcaklık, NaBO2 konsantrasyonu, CO2 akış hızı ve NaBO2/NaOH mol oranı etkenleri deneysel tasarım yöntemiyle analiz edilmiştir. 400 oC sıcaklığın, hem dehidrasyon sürecinde hem de tepkimede önemli bir değer olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca nispeten düşük sıcaklıklarda (400 oC'den aşağı) farklı bir tepkime mekanizması önerilmiş ve ispat edilmiştir. Karbonlama tepkime parametreleri optimize edilerek tepkimenin kinetik verisi oluşturulmuştur. 400 oC'den itibaren ürünlerin dekompozisyonu başlamakta ve 600 oC'de tamamlanmaktadır. Karbonlama tepkimesi, öncelikle hızlı bir şekilde kinetik bölgesini oluşturmakta daha sonra daha yavaş gerçekleşen difüzyon bölgesini oluşturmaktadır. Böylece karbonlama tepkimesi, birbiri ardınca oluşan kinetik ve difüzyon bölgelerden oluşur. Büzülen çekirdek modeli tepkime kinetiğinin açıklanmasında kullanılmıştır ve hız sabitleri difüzyon bölgesi için, 11,8 kJ/mol – 1,4 x 106 cm2/dak ve kinetik bölgesi için 18,2 kJ/mol – 2,8 x 10-4 cm2/dak şeklinde bulunmuştur. İki farklı aralıkta deneysel tasarım yapılmış ve düşük sıcaklıklarda CO2 akış hızının baskın etken olduğu, yüksek sıcaklıklarda ise hem sıcaklığın hem de konsantrasyonların baskın etkenler olduğu bulunmuştur.

Abstract:
This thesis presents a comprehensive study on the carbon dioxide (CO2) capture via sodium metaborate (NaBO2) by carbonation reaction. NaBO2 is a by-product of sodium borohydride (NaBH4) hydrolysis reaction and carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas. Therefore their transformation into commercial chemicals is quite important in order to provide a mutual benefit to hydrogen economy and global warming issue. In the presented study, reaction parameters such as; hydration factor, furnace type, calcination temperature and environment were investigated at different levels and optimized for solid state carbonation reaction. Also, the parameters which are temperature, NaBO2 concentration, CO2 flow rate and NaBO2/NaOH molar ratios are analysed by using experimental design for gas-liquid carbonation reaction. The effects of those key parameters on CO2 fixation yield were discussed. It was concluded that, 400 oC was a key temperature for both the dehydration and reaction steps. Moreover, at relatively low temperatures (below 400 oC), a new reaction pathway was proposed and proved. Both hydrated and dehydrated forms of NaBO2 have high sorption capacities of CO2 up to 400 oC. Decomposition of the products starts beyond 400 oC and completes at 600 oC. Shrinking core model is used to explain the kinetics of the non-catalytic heterogeneous reaction. The reaction progress in two stages, one is surface reaction-controlled and the other is diffusion-controlled. The apparent activation energy and pre-exponential factor for reaction-controlled and diffusion-controlled regions are calculated as 11.8 kJ/mol - 1.4 x 106 cm2/min and 18.2 kJ/mol - 2.8 x 10-4 cm2/min, respectively. Experimental design was named and performed for low temperature and high temperature in two parts. In low temperature design, the effect of CO2 flow rate is the most dominant factor for the response. In high temperature design the effects of both temperature and concetration are strictly affects the response.