Tavuk çiftliği atıklarının pirolizinden biyokömür üretiminin optimizasyonu ve uygulama alanlarının araştırılması
Optimization of bio-char production from chicken manure wastes pyrolysis and investigation of application areas
Yazar: ZEYNEP YILDIZ UZUN
Danışman: DOÇ. DR. NİHAN KAYA
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Akışkan yataklı reaktörler = Fluidized bed reactors

Özet:
Ülkemizde bol miktarda bulunan tavuk çiftliği atıkları piroliz yöntemi ile akışkan ve sabit yatak reaktörde, uygulama potansiyeli olan katı ürüne dönüştürülmüştür. Çalışmanın ilk aşamasında, tavuk çiftliği atıklarının (TÇA) termogravimetrik analizi farklı ısıtma hızlarında (5, 10, 15, 20 ºC/dk), inert azot atmosferinde gerçekleştirilmiş ve piroliz kinetiği incelenmiştir. Dağılımlı Aktivasyon Enerjisi Modeli (DAEM) kullanılarak piroliz aktivasyon enerjileri (E) ve frekans faktörü (ko) değerleri belirlenmiştir. Ham tavuk çiftliği atığının karakterizasyonu için Kısmi ve Elementel FTIR, TGA-FTIR ve EDS gibi analiz teknikleri kullanılmıştır.
Çalışmaların ikinci aşamasında akışkan ve sabit yatak reaktör sistemleri kullanılarak tavuk çiftliği atıklarının her iki reaktördeki optimum piroliz koşullarını belirlemek amacıyla Merkez Kompozit Tasarımına (MKT) dayalı Yanıt Yüzey Yöntemi (YYY) kullanılmıştır. Bu amaçla öncelikle akışkan ve sabit yatak reaktör sistemlerinde tavuk çiftliği atıklarının pirolizi gerçekleştirilmiş olup, reaksiyon sıcaklığı (°C), ısıtma hızı (5–20 °C/dk) ve reaksiyon süresinin (30-120 dk) elde edilen biyokömürlerin yüzey alanı üzerine etkisi araştırılmıştır. Akışkan yatak reaktörde optimum koşul 400°C reaksiyon sıcaklığı, 5 °C/dk ısıtma hızı ve 110 dk reaksiyon süresi olarak belirlenmiştir. Sabit yatak reaktörde optimum koşul ise 440°C reaksiyon sıcaklığı, 6 °C/dk ısıtma hızı ve 115 dk reaksiyon süresi olarak belirlenmiştir.
Çalışmanın son aşamasında ise, akışkan ve sabit yatak rektörlerde optimum koşullar altında üretilen biyokömür ürünleri sırasıyla asit ve baz ile aktifleştirilmiştir. Ham ve aktifleştirilmiş biyokömür ürünlerini karakterize etmek için FTIR, EDS ve BET analizi gibi teknikler kullanılmıştır. Ham ve aktifleştirilmiş biyokömür ürünleri karakterize edildikten sonra farklı uygulama alanları (enerji dönüşümü ve gaz emisyon uygulamaları, CO2 tutma kapasitelerinin belirlenmesi ve boyar madde gideriminin incelenmesi) araştırılmıştır.

Abstract:
Chicken manure wastes, which are abundant in our country, have been converted into solid product with application potential in the fluidized and fixed bed reactor by pyrolysis method. In the first stage of the studies, thermogravimetric analysis of chicken manure wastes was carried out at different heating rates (5, 10, 15, 20 ºC/min) in an inert nitrogen atmosphere and pyrolysis kinetics of raw chicken manure wastes were investigated. Activation energies (E) and frequency factor (ko) values were determined using the Distributed Activation Energy Model (DAEM). Analysis techniques such as FTIR, proximate and elemental, TGA-FTIR and EDS were used for characterization of raw chicken manure waste.
In the second stage of the studies, Response Surface Method based on Central Composite Design was used to determine optimum pyrolysis conditions of chicken manure wastes in both reactors by using fluidized and fixed bed reactor systems. For this purpose, firstly, pyrolysis of chicken manure wastes in fluidized and fixed bed reactor systems were carried out and the effect of reaction temperature (200-500 °C), heating rate (5–20 °C/min) and reaction time (30-120 min) on the surface area of the bio-char was investigated. Optimum conditions in fluidized and fixed bed reactor were determined 400 and 440 °C reaction temperature, 5 and 6 °C/min heating rate, 110 and 115-min reaction time, respectively.In the last stage of the study, bio-char products produced under optimum conditions in fluidized and fixed bed rectors were activated with acid and base respectively. Techniques such as FTIR, EDS and BET analysis were used to characterize raw and activated biochar products. After characterizing raw and activated biochar products, different application areas (energy conversion and gas emission applications, determination of CO2 capture capacities and investigation of dye removal) were investigated.