Prina-biyoyağ temelli model karışımdan katalitik biyoyakıt üretimi
Catalytic biofuel production from pomace-biooil based model mixture
Yazar: CAN GÜVENÇ
Danışman: PROF. DR. NURAY OKTAR ; DOÇ. DR. LEVENT DEĞİRMENCİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Hızla artan nüfus, sanayi ve teknolojinin gelişmesi ile enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Fosil yakıtlara olan talebin artması, rezervlerinin azalması ve artan CO2 emisyonunun yarattığı çevresel etkiler nedeniyle temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Biyokütle enerjisinin nitrojen, kükürt ve kül içeriği oldukça düşük olduğu için çevre dostu bir kaynaktır. Biyokütleden termal dönüşüm yöntemleriyle elde edilen biyo-yağ, fiziksel özellikleri bakımından ham petrole yakın özelliklere sahiptir. Ancak ham petrol kütlece %1 oksijen içerirken biyo-yağda bu oran %28-40 arasındadır. Biyo-yağın yakıt özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla reaksiyon sisteminde kullanılmak üzere kok oluşumuna dayanıklı, kararlı ve yüksek katalitik aktiviteye sahip katalizörlerin sentezi amaçlanmıştır. Biyokütle kaynağı olarak seçilen pirinayı temsil eden asetik asit, hidroksipropanon, formik asit ve eş reaktan olan etanolün katalitik parçalanma reaksiyonları sonucunda yüksek verimde biyo-yakıt eldesi amaçlanmıştır. Biyo-yakıt üretim sisteminin kontrolü ve optimum reaksiyon koşulları ticari HZSM-5 katalizörüyle gerçekleştirilen çalışmalarda 1 atm basınç altında 400oC sıcaklık ve E/R oranı 70 olarak bulunmuştur. Kütlece %1,5 ve 10 oranlarında Ni, Ta, Zr, Ga içerikli γ−Al2O3 destekli katalizörler ve Zr, Co içerikli silika mikroküre katalizörler hazırlanmıştır. Çalışmada, sentezlenen katalizörlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirleyebilmek için XRD, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, SEM, EDS, FTIR, DRIFTS, XANES ve TGA-DTA analizleri yapılmıştır. En yüksek dönüşüm %92, en yüksek izo-parafin seçiciliği %80,96 oranında 10Zr@ɣ-Al2O3 katalizörüyle gerçekleştirilen reaksiyonlarda görülmüştür. Katalizörlere eklenen zirkonyum ve tantal ilaveleri katalizör yüzeyinde biriken kok oranını düşürmüştür. En düşük kok oranı mikrokapsülleme yöntemiyle hazırlanan 10Zr-SMK katalizöründe %1,15 olarak belirlenmiştir. Biyo-yağ kaynağı olarak prinayı temsil eden model bileşenden yüksek dönüşüm ve seçicilikle biyo-yakıt eldesi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
With the rapidly increasing population, the development of industry and technology, the need for energy is increasing day by day. There is a need for clean and renewable energy sources due to the increasing demand for fossil fuels, the decrease in their reserves and the environmental effects of increasing CO2 emissions. Since the nitrogen, sulfur and ash content of biomass energy is quite low, it is an environmentally friendly source. Bio-oil obtained from biomass by thermal conversion methods has properties close to crude oil in terms of physical properties. However, crude oil contains 1% oxygen by mass, while this ratio is between 28-40% in bio-oil. In order to improve the fuel properties of bio-oil, it is aimed to synthesize catalysts that are resistant to coke formation, stable and have high catalytic activity to be used in the reaction system. As a result of the catalytic decomposition reactions of acetic acid, hydroxypropanone, formic acid and co-reactant ethanol representing the pomace selected as a biomass source, it is aimed to obtain biofuel with high efficiency. The control of the bio-fuel production system and the optimum reaction conditions were found to be 400oC under 1 atm pressure and the E/R ratio of 70 in the studies carried out with the commercial HZSM-5 catalyst. γ−Al2O3 supported catalysts containing Ni, Ta, Zr, Ga at 1.5 and 10% by mass and silica microsphere catalysts containing Zr, Co were prepared. In the study, XRD, N2 adsorption-desorption, SEM, EDS, FTIR, DRIFTS, XANES and TGA-DTA analyzes were performed to determine the physical and chemical properties of the synthesized catalysts. The highest conversion was 92% and the highest iso-paraffin selectivity of 80.96% was observed in the reactions performed with 10Zr@ɣ-Al2O3 catalyst. Additions of zirconium and tantalum to the catalysts decreased the rate of coke deposited on the catalyst surface. The lowest coke ratio was determined as 1.15% in the 10Zr-SMK catalyst prepared by the microencapsulation method. Bio-fuel was obtained with high conversion and selectivity from the model component representing olive pomace as a bio-oil source.