Odunun sıvılaştırılması
Wood of liquefaction
Yazar: MELEK YILGIN
Danışman: PROF.DR. DURSUN PEHLİVAN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2000
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Odun = Wood ; Sıvılaşma = Liquefaction

Özet:
ÖZET Doktora Tezi ODUNUN SIVELAŞTIRILMASI Melek YILGIN FIRAT ÜNİVERSİTESİ Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı 2000, Sayfa: 119 Nüfûsu hızla çoğalan dünyamızda doğal kaynakların verimli bir şekilde kullanılması insan ihtiyaçlarının karşılanmasında çok önemli hale gelmiştir. Gelişmiş sanayi ülkelerinde odunun yakıt olarak kullanılması en az düzeye indirilmiştir. Oysa ülkemizde odun halen yaygın bir şekilde yakıt olarak kullanılmaktadır. Odunun yerine memleketimizde bol miktarda bulunan kömür kullanılarak odundan tasarruf sağlamak ve odunu kimyasal yollarla ekonomik değeri daha yüksek ürünlere çevirmek daha akıllıca bir yöntemdir. Bunun için uygun olan yöntemler biyokütle (biomass) adı verilen bitkisel kökenli materyallerin direkt sıvılaştırılması, piroliz ve yüksek basınçta sıvılaştırma çalışmalarıdır. Bu çalışmada, odunun sıvılaştınlmasında uygulanan adımların sıvı ürün verimi yönünden daha avantajlı hale getirilmesi koşullarını araştırmak üzere odundan hazırlanan sulu çamurun sıvılaştırılması incelendi. Bu inceleme çamurun hazırlanması ve reolojisi; tane büyüklük dağılımı; çamurun sıvılaştırma reaksiyonuna sıcaklığın,II katalizörlerin etkisini ve sıvılaştırma süresince çamur ve elde edilen yağların nitelik ve nicelik yönünden izlenmesini kapsamaktadır. Bu yüzden yağların niteliksel olarak incelenmesinde TGA, FTIR ve GC tekniklerinden yararlanıldı. Sıvılaştırmada alkali katalizörlerin etkisi Na2CÛ3 ve K2CO3 bileşikleri, asit katalizörlerin etkisi ise sadece formik asit (HCOOH) beraberinde incelendi. Çamur hazırlamada hem kuru, hemde yaş öğütülmüş odun kullanıldı. Odun-su karışımlarına en uygun akış modelinin Ostwald-de Waele modeli olduğu ve hazırlanan karışımların viskozitelerinin odun miktarı ile hızla arttığı görüldü. Sulu öğütmeden elde edilen çamurun miktar kesri dağılımı, öğütme süresine bağlı olarak suyun penatrasyonu ile önce odundaki lifli yapının şişmesi sonucu tane boyutunun artması sonra öğütme ile şişen yapının boyutunun küçülmesi şeklindedir. Kuru öğütme sonucu elde edilen miktar kesri dağılımı ise öğütme veya tane büyüklüğünün ölçümü sırasındaki elektrostatik kuvvetler nedeniyle topaklaşma da olabileceğini ve bunun iri tanelerin miktar kesirlerini artırabileceğini göstermektedir. Sıvılaştırma üzerine asitli (HCOOH) ve alkali (Na2C03, K2CO3) katalizörlerin etkisinin araştırıldığı deneylerde, asit katalizörün gerek yağ verimi gerekse yağdaki karbon yüzdesi yönünden diğer alkali katalizörlere göre daha etkili olduğu bulundu. Bu yüzden diğer parametrelerin (sıcaklık, sıvılaştırma süresi ve tane boyutunun sıvılaştırma üzerindeki etkisi) incelendiği bütün deneylerde asit katalizörü kullanıldı. Farklı sıcaklıklarda (250, 300 ve 350 °C) maksimum yağ verimi elde edilinceye kadar zamana bağlı olarak yürütülen deneylerde sıcaklık arttıkça yağ veriminin arttığı buna karşın her bir sıcaklık için zamanla yağ veriminin maksimum bir değere ulaştığı ve daha sonra azaldığı görüldü. Tane boyutunun elde edilen yağın özellikleri üzerinde etkili olmadığı; fakat odunun su ile çamuru şeklinde kullanılmasının talaş ve odun tozuna göre sıvılaştırmadaIll yağ verimini arttırdığı bulundu. Bu durumun da önceden odun taneciklerine çözücü penatrasyonundan kaynaklandığı sonucuna varıldı. Her üç sıcaklıkta (250, 300 ve 350°C) zamana bağlı olarak yürütülen deneylerde elde edilen yağların FTIR analizleri oldukça benzer olduğu ve temel oksijenli fonksiyonel grupların hemen hemen hepsine işaret ettiği bulundu. Termal gravimetrik analizler ısıl bozunma sırasında bir takım kondenzasyon reaksiyonlarında meydana geldiğini gösterirken GC analizleri yağların zamanla birtakım polimerizasyon ve oksidasyon reaksiyonlarına uğradıklarını göstermektedir. Anahtar kelimeler: Odun, Sıvılaştırma, Reoloji, Pirolitik yağ

Abstract:
rv SUMMARY PhD Thesis LIQUEFACTION OF WOOD Melek YILGIN Fırat University Graduate School of Natural and Applied Science Department of Chemical Engineering 2000, Page: 119 In today's World of rapidly increasing population, it has been very important to use natural sources in an efficient way to ansure human needs. In the industrialized countries consumption of wood as a fuel has been reduced to minimal levels. But the wood is still in widely use as a fuel in our country, Turkey. The coal, which is very abundant in our country, could be consumed instead of wood, and the wood could be converted into valuable chemically products. The direct liquefaction of materials originated from plants, known as biomass, pyrolysis and liquefication under high pressure are appropriate techniques for chemical conversion process of wood. In this study, the liquefaction of slurry prepared from wood and water was examined to develop the conditions of steps applied for liquefaction of wood in order to increase the amount of liquid product. This examination consisted of preparation andrheology of the slurry, distribution of particle size, the effects of temperature and catalysts on liquefaction of slurry and investigation of quality and quantity of the slurry and oil obtained during liquefaction. For this reason, the techniques of TGA, FTIR and GC were used to find out the quality of the oils. The effect of alkali catalysts on liquefaction was examined in the presence of Na2C03 and K2C03, whareas the effect of acid catalysts was examined only in the presence of formic acid (HCOOH). Both dry and wet-grinded wood was used to prepare slurries. Oswald-de Waele model was found to be the most suitable flow model for wood and water mixtures, and viscosities of mixtures increased rapidly with the amount of wood. The size distribution of the wood particles in the slurry obtained by grinding wood in water, showed firstly size englargement by swelling of fibrous structure due to water penetration and then size reduction of swollen structure by grinding depending on the duration of grinding. However, The size distribution of the wood dust which obtained by dry-grinding of the wood indicates that there may be some agglomeration during the grinding due to electrostatic forces or during measurement of particle size causing to increase the fraction of larger particles. In the experiments undertaken to search the effects of acidic (HCOOH) and alkaline (Na2C03, K2CO3) catalysts on the liquefaction, acid catalysts were found to be more effective than alkali catalysts in terms of both the amount of oil and carbon contents of the oils. Thus, only acid catalyst was then used in the foregoing experiments to determine the effects of other parameters such as temperature, liquefaction time and particle size on liquefaction. The results obtained from the experiments carried until maximum oil yields at different temperatures (250, 300 and 350°C) and times showed that oil yields increasedVI with temperature. But, at each temperature oil yields firstly increased to a maximum value then cotinuously decreased. It was found that the particle size did not effect the properties of the oil obtained, but using the wood dust as a slurry in water increased the amount of oil comparing with the amount obtained from the runs undertaken with sawdust and wood powder. The penetration of the water into the wood particles, occuring previously during wet grinding of the wood was thought to be the cause of this increment. The FTIR spectrums of the oils obtained from time-dependent experiments done seperately at three temperatures (250, 300 and 350°C) were almost similar and they contained all of the basic oxygen-bearing functional groups. Thermal gravimetric analyses (TGA) of the oils have shown that some condensation reaction occured during thermal decomposition, while GC analyses indicated that the oil had undergone a number of polymerization and oxidation reactions in time. Key words: Wood, Liquefaction, Rheology, Pyrolytic oil