Sonoelektrokimyasal yöntemle kükürt ve kül giderimi
Sulfur and ash removal with sonoelectrochemistry method
Yazar: İLKAY KANAL
Danışman: DOÇ. DR. AYLİN AYTAÇ ; DOÇ. DR. AYŞE ELİF SANLI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Kömür günümüzde hala önemini koruyan bir fosil yakıttır. Bu çalışmada Beypazarı linyit kömürünün içinde bulunan kükürdün ve külün uzaklaştırılması için sonoelektrokimyasal yöntem kullanılmıştır. Kömüre yanmadan önce uygulanan sonoelektrokimyasal yöntem, elektrokimyasal ve ultrasonik işlemlerin eş zamanlı olarak uygulanmasıdır. Ultrasonik yöntemle kül ve safsızlıkların uzaklaştırılması; elektrokimyasal yöntemle ise inorganik ve organik kükürdün giderilmesi amaçlanmıştır. Bu iki işlemin iki ayrı sistem yerine, tek bir sistemde ve aynı anda uygulanması, hem zaman, hem de kimyasal kullanımı açısından avantaj sağlamaktadır. 1M KOH ve 2 g kömür (200 µm) karıştırılarak hazırlanan bazik sulu kömür çözeltisi 20 kHz'lik bir ultrasonik banyo içine yerleştirilerek, elektroliz işlemi için üç elektrotlu sistem kurulmuştur. Sistem 20 dakika boyunca hem ultrasonik işleme tabi tutulurken, aynı anda +1V potansiyel uygulanarak elektroliz işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu işlemler iyonik madde varlığında ve iyonik madde yokluğunda tekrarlanmıştır. Deneylerde kullanılan N-bütil-pirimidinyum-bromür iyonik maddesi, kömüre benzer yapısından dolayı organik sülfürün uzaklaştırılmasında etkin olan ve son yıllarda kömür elektroliz işlemlerinde kullanılan bir iyonik maddedir. Deneyler bazik ortamda gerçekleştirilmiştir. Bazik ortamda kömür içinde bulunan mineral oksitlerin yüzeyde tabaka oluşturmadan, çözeltiye geçmekte ve sülfür giderimi artmaktadır.  Yapılan çalışma sonucunda, işlem görmemiş ve işlem görmüş numunelerin FTIR analizleri ve analitik kükürt/kül/nem/kalorifik değer tayinleri yapılmıştır. İyonik madde eklenmeden önce düşük olan kül miktarı, iyonik madde ilave edildikten sonra az miktarda yükselmiştir. Analizlerde toplam kükürt miktarının yarı yarıya azalması sonoelektrokimyasal işlemin kükürt gideriminde başarılı olduğunu göstermektedir. En dikkat çekici iyileşme ise işlem görmemiş kömür numunesinin 2120 kcal olan kalorifik değerinin, iyonik maddesi ilave edilen sulu kömür çözeltisine +1 V'da 20 dakika sonoelektrokimayasal işlem uygulanmasından sonra 4275 kcal'ye yükselmesidir. Kalorifik değerdeki yaklaşık 2 katlık artışa, +1 V'da yapılan elektroliz sonrasında kömürün yapısında oluşan yeni alifatik ve aromatik zincirlerin neden olduğu düşünülmektedir. Yeni oluşan bu yapılar FTIR analizleri ile belirlenmiştir. Ancak bu yapıların oluşmasında iyonik maddenin rolünün daha ileri çalışmalar yapılarak aydınlatılması gerekmektedir. Sonuç olarak Sonoelektrokimyasal işlemin iyonik madde içeren bazik sulu kömür çözeltisi içinde kükürt gideriminde ve kömürün kalorifik değerinin iyileştirilmesinde dikkate değer bir fayda sağladığı görülmektedir. Sanayi uygulamaları açısından fizibilite çalışmaları yapılması gerekmektedir.

Abstract:
Coal is still an important fossil fuel today. In this study, sonoelectrochemical method was used for desulfurization and demineralization of Beypazarı lignite coal. Sonoelectrochemical method which was applied before combustion of coal was the simultaneously implementation of electrochemical and ultrasonic processes. Through ultrasonic method; deashing and demineralization; and through electrochemical method desulfurization of organic and inorganic sulfur were aimed. Instead of using these two processes in two separate system, carrying out them in one system and at the same time provided advantages both for time and chemical usage. The basic aqueous solution of coal,  prepared with mixture of 1M KOH and 2g coal (with 200 µm particles size), was placed in a 20 Khz's ultrasonic bath and three-electrode system was set for electrolysis. Electrolysis process was carried out through ultrasonic process and +1V potential was applied at the same time for 20 minutes. These procedures were repeated by and adding ionic solution. The N- butyl-primidium bromur used in the experiments, which is active in removing organic sulphur due to similar structure to coal, is an ionic matter used in coal electrolysis processes in recent years. Experiments were carried out in basic/sub conditions. In basic/sub condition, mineral oxides in the coal pass into solution without forming thin film layer and sulphur disposal increases. As the result of this study, the FTIR analyses and analytic sulphur/ash/calorific/moisture value assignments of processed and non-processed samples were performed. The ash amount, which was low before adding ionic solution, increased little after adding ionic solution. In the analyses, the decline of the total sulphur amount half and half shows that sonoelectrochemical process is successful in disposal of sulphur. The most remarkable recovery is, the 2120 kcal calorific value of non-processed coal sample was increased to 4275 kcal after sonoelectrochemical process was conducted through 20 minutes at +1V with adding ionic solution to the basic aqueous solution. It was thought that new aliphatic and aromatic chains in the cola structure after electrolysis in +1V caused the twice increase in calorific value these new formations were defined by FTIR analyses. However, the role of ionic matter caused these new formations were required to clarify with further researches. Consequently, it is seen that sonoelectrochimacal process takes a remarkable advantage in sulphur disposal that inculudes ionic liquid in basic/sub the basic aqueous solution of coal in recovery of calorific value of coal. Feasibility studies need to be conducted for industrial implementations.