Mini-kanal içerisinde Taylor akışı ile geliştirilmiş fotokatalitik karbon dioksit redüksiyonu
Enhanced photocatalytic carbon dioxide reduction with taylor flow within mini-channel
Yazar: TURGUT CAN KOLOĞLUGİL
Danışman: DOÇ. DR. ERTUĞRUL ERKOÇ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fotokatalitik = Photocatalytic ; Karbondioksit salınımı = Carbondioxide emission ; Katalizörler = Catalysts ; Metal oksit katalizörü = Metal oxide catalyst ; Redüksiyon =   ; Taylor yaklaşımı = Taylor approximation

Özet:
Sera gazı emisyonları artışı sanayi devrimi sonrasında ivmelenmiştir. 1900 yılında 2
milyar tona yakın olan toplam karbondioksit emisyonu 2022 yılında 18.5 kat artmış ve
37.12 milyar ton seviyelerine ulaşmıştır. Artmakta olan dünya nüfusu karşısında
endüstriyel ürünlere talep ve dolayısıyla fosil yakıt tüketimi kaynaklı karbondioksit
emisyonları kaçınılmaz olarak artacaktır. Karbondioksit emisyonlarını, endüstri ve
sürdürülebilir dünya arasında bir kazan kazan durumuna çevirmek karbondioksitin
kimyasal dönüşümü yoluyla mümkündür.
Yapılan bu çalışmada karbondioksiti ticari değeri olan diğer organik bileşiklere
dönüştürmek amaçlanmıştır. Bu kapsamda fotokatalitik reaksiyonlar, gerekli
aktivasyon enerjisi yüksek sıcaklık/basınç gibi kaynaklardan ziyade katalizörün ışık
ile etkileşiminden geldiğinden "yeşil" bir teknolojidir ve karbondioksiti kimyasal
olarak dönüştürmek için etkili bir metottur. Bu reaksiyonlar birim alana daha fazla ışık
alabilmek ve kütle transferini akış ile birlikte daha etkili kılabilmek amacıyla UV-A
geçirgen mini kanal içerisinde gerçekleştirilmiştir.
Mikro ve mini akış reaktörleri, hacim başına düşen yüzey alanı fazla olduğundan;
yüzeyden enerji transferi metodları kullanılıyorsa son derece verimli reaktörlerdir.
Mini reaktörler difüzyon mesafesi çok kısa olduğundan kütle transferinde de
konvansiyonel reaktörlere göre avantaj sağlar. Bu sebeple taylor akışı kanal içerisinde
pasif karıştırma görevi üstlenmektedir. Sıvı faz içerisinde taylor vorteksi ismi verilen
döngüleri oluşturan düşük ve yüksek basınç bölgeleri sayesinde, gaz fazdan sıvı faza
difüze olmuş reaktanlar sıvı faz içerisinde karışır ve katalizör ile buluşarak kimyasal
reaksiyonu başlatır.
Bu çalışmada, 1 mm çapındaki mini kanal içerisinde, taylor akışı ile regüle edilmiştir.
Ortamdaki metil gruplarından faydalanabilmek amacıyla sıvı faz olarak metanol
kullanılmıştır. Reaksiyonlar güneş ışığını taklit etmek ve düşük enerji tüketimi ile
çalışmak amacıyla 40 W gücünde lamba ile 365 nm dalga boyundaki UV-A bölgedeki
radyasyon altında gerçekleştirilmiştir. Denemelerin tamamı oda sıcaklığında
gerçekleştirilmiş ve yaklaşık olarak 30 saniye kalma süresi ile çalışılmıştır. Katalizör
olarak çöktürme ve sol jel yöntemleriyle elde edilen partiküller ve bu partiküllere ıslak
ve kuru emdirme yapılarak elde edilen doplu partiküller kullanılmıştır. Kütlece %0.50
(katalizör/sıvı faz) heterojen katalizör olarak sıvı faz metanol karışımında sisteme
beslenen doplu ve dopsuz çinko oksit, alümina, titanyum dioksit ve silika
katalizörlerinin toplam dönüşüme ve seçiciliğe etkisi incelenmiştir. Farklı
katalizörlerle yapılan denemeler sonucunda formik asit, asetik asit ve 1-hekzanol
ürünleri elde edilmiştir. Bu çalışma yarı iletken katalizörlerin karbondioksit
dönüşümündeki rolünü açıklama amacını taşımakla birlikte gelecekte yapılacak
reaktör ve reaksiyon şartlarının optimizasyonu çalışmaları için öncü olma
niteliğindedir.

Abstract:
The increase in greenhouse gas emissions accelerated after the industrial revolution.
Total carbon dioxide emissions, which were close to 2 billion tons in 1900, increased
18.5 times in 2022 and reached 37.12 billion tons. In the face of the increasing world
population, the demand for industrial products and therefore carbon dioxide emissions
from fossil fuel consumption will inevitably increase. Turning carbon dioxide
emissions into a win-win situation between industry and the sustainable world is
possible through the chemical conversion of carbon dioxide.
In this study, it was aimed to convert carbon dioxide into other organic compounds
which are commercially valuable. However, the chemical conversion of carbon
dioxide is thermodynamically very difficult and requires external energy. To overcome
this challenge, photocatalytic reactions are a "green" technology as the required
activation energy comes from the interaction of the catalyst with light rather than from
sources such as high temperature/pressure. Fot this reason, photocatalytic processes
are an effective method for converting carbon dioxide chemically. These reactions
were carried out in a UVA permeable mini channel to receive more luminous flux per
unit area and to enable mass transfer more effective with the flow.
Micro and mini flow reactors have a large surface area per volume, if energy transfer
methods from the surface are used, they are highly efficient reactors. In addition, these
reactors have an advantage over conventional reactors in mass transfer as the diffusion
distance is very short. Taylor flow with gas and liquid multi phase system is used.
Thanks to the low- and high-pressure regions that form the loops called taylor vortex
in the liquid phase, the carbon dioxide diffused from the gas phase to the liquid phase
and mix in the liquid phase and start the chemical reaction by meeting with the catalyst.
In this study, Flow is regulated by taylor flow in a 1 mm diameter mini channel and
methanol was used as the liquid phase reductant agent to benefit from the methyl
groups in the reaction environment. To imitate sunlight and work with low energy
consumption, the reactions were carried out with a 40 W lamp which provides 365 nm
UV-A radiation in the region. All experiments were carried out at room temperature
with a residence time of approximately 30 seconds. Catalyst particles obtained by
precipitation and sol-gel method. Also, dopped catalyst particals which produced wet
impregnation and incipient wetness impregnation method were used as catalysts. The
effect of zinc oxide, titanium dioxide, aluminum oxide and silica particles and cerium
doped particles fed into the system in liquid phase methanol mixture as heterogeneous
catalyst with a target of 0.50% by mass (Catalyst mass/Liquid phase mass) on total
conversion and selectivity was investigated. As a result of experiments with different
catalysts, formic acid, acetic acid and 1-hexanol products were obtained. Therefore,
this study aims to explain the semiconductor catalysts in carbon dioxide conversion
and is a pioneer for future reactor and reaction conditions optimization (temperature,
residence time, catalyst concentration) studies.