Atık yumurta kabuklarının linyit ile birlikte yanma kinetiklerinin termogravimetrik olarak incelenmesi ve atık yumurta kabuklarının CO2 tutma potansiyelinin araştırılması
Thermogravimetric investigation of combustion kinetics of waste eggshells with lignite and investigation of CO2 capture potential of waste eggshells
Yazar: SENA ERKENT
Danışman: PROF. DR. SEMA YURDAKUL ; DOÇ. DR. SAVAŞ ÖZÜN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Nüfusun hızla artışı ile birlikte enerji ihtiyacı da artış göstermektedir. Mevcut kullanılan enerji kaynaklarının yenilenemez olması ve küresel ısınmaya sebep olmalarından dolayı yeni enerji kaynakları aranmaktadır. Bu bağlamda yenilenebilir biyokütle enerjisi her geçen gün daha da artan enerji talebini karşılamada oldukça önemlidir. Türkiye konumu itibariyle tarım ve hayvancılık faaliyetlerinin yaygın olarak gerçekleştirildiği bir ülkedir. Türkiye tavuk üretiminde dünyada 8. Sırada, tavuk yumurtası üretiminde de dünyada 9. sırada yer almaktadır. Üretim göz önüne alındığında Türkiye'de yılda 7,2 milyon ton atık yumurta kabuğunun (YK) oluştuğu düşünülmektedir. YK'lar yüksek sıcaklıklarda CaO'a dönüşerek doğal bir CO2 adsorbanı olarak kullanılabilmektedir. Bu çalışmada,YK'nın kabuğunun hem yakıt olarak performansı hem de adsorban olarak CO2 tutma kapasitesi araştırılmıştır. Bu amaçla, ilk olarak atık YK'lar linyit ile ağırlıkça farklı oranlarda karıştırılarak 5 farklı (%100 YK; %75YK+%25L; %50YK+%50L; %25YK+%75L; %100L) yakıt karışımı hazırlanmış ve 4 farklı (5℃/dk; 10℃/dk; 15℃/dk ve 20℃/dk) ısıtma hızında Termogravimetrik (TG) analizleri gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan yakıt karışımlarının aktivasyon enerjileri (Ea) Fllyn-Wall-Ozawa (FWO) veCoast-Redfern yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Fllyn-Wall-Ozawa yöntemi ile hesaplanan ortalama Eadeğerleri %100 YK için 148,76 kJ/mol; %75YK+%25L için 114,95 kJ/mol; %50YK+%50L için 118,77 kJ/mol %25YK+%75L için 103,82 kJ/mol ve %100 Linyit için 77,33 kJ/mol olarak bulunmuştur. Coast-Redfern Yöntemi kullanılarak hesaplandığında ise linyitin Ea'sı 10,64-48,76 kJ/mol aralığında olduğu görülmüş ve etkin modelin çekirdekleşme (P2) ve difüzyon (D4) olduğu görülmüştür. YK'nın Ea'sının ise ortalama 8,86-181,95 kJ/mol aralığında olduğu görülmüş ve etkin modelin difüzyon (D3 ve D1) ve çekirdekleşme (A2) olduğu görülmüştür. Tezin ikinci kısmında ise YK'lar 9 farklı tanecik boyutuna elenerek CO2 tutma kapasiteleri, kalsinasyon ve karbonasyon kinetikleri araştırılmıştır. YK'ların karbonasyonu, non-izotermal (25-1000oC aralığında) şekilde CO2 atmosferinde 4 farklı (5oC/dk; 10oC/dk; 15oC/dk ve 20oC/dk) ısıtma hızında termogravimetrik analiz cihazında gerçekleştirilmiştir. Kalsine YK ve karbone yu YK'nın kinetik analizleri ise Fllyn-Wall-Ozawa yöntemi ile hesaplanmıştır ve kalsine YK'nın adsorpsiyon kapasitelerinin 0,15 g CO2/g YK (+2,8-1,7 mm) ile 0,33 g CO2/g YK (-75+45 µm) aralığında olduğu görülmüştür. Ayrıca tanecik boyutu küçüldükçe adsorpsiyon kapasitesinde artış olduğu görülmüştür. Karbone YK'nın ortalama aktivasyon enerjisi 67,88 kJ/mol olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
With the rapid increase in population, the need for energy also increases. New energy sources are sought because the currently used energy sources are non-renewable and cause global warming. In this context, renewable biomass energy is crucial in meeting the ever-increasing energy demand. Türkiye is a country where agriculture and animal husbandry activities are widely carried out due to its location. Türkiye ranks 8th in the world in chicken production and 9th in the world in chicken egg production. Considering the production, it is thought that 7.2 million tons of waste eggshells (ES) are generated annually in Türkiye. Eggshells can be used as a natural CO2 adsorbent by turning into CaO at high temperatures. In this study, the fuel properties and the CO2 adsorption capacity of the calcined eggshell as an adsorbent were investigated. For this purpose, firstly, waste eggshells were mixed with local lignite in different ratios by weight and 5 different (100% ES; 75%ES+25%ES; 50%ES+50%L; 25%ES+%75L; 100%L) fuel mixtures were prepared and Thermogravimetric (TG) analyzes were carried out at 4 different (5°C/min; 10°C/min; 15°C/min and 20°C/min) heating rates. The prepared fuel mixtures' activation energies (Ea) were calculated using the Fllyn-Wall-Ozawa (FWO) and Coast-Redfern methods. The mean Ea values calculated by the Fllyn-Wall-Ozawa method were 148.76 kJ/mol for 100% ES; 114.95 kJ/mol for 75%ES+25%L; 118.77 kJ/mol for 50% ES+50%L, 103.82 kJ/mol for 25%ES+75%L and 77.33 kJ/mol for 100% Lignite. As the Coast-Redfern Method was used Ea of lignite was in the range of 10.64-48.76 kJ/mol and it was seen that the effective model was nucleation (P2) and diffusion (D4). It was observed that the Ea of ES was in the range of 8.86-181.95 kJ/mol on average, and it was seen that the effective models were diffusion (D3 and D1) and nucleation (A2). In the second part of the thesis, eggshells were sieved into 9 different particle sizes and their CO2 holding capacity, calcination, and carbonation kinetics were also investigated. Carbonation of calcined eggshells was carried out in a non-isothermal (25-1000oC) manner in a thermogravimetric analyzer at 4 different heating rates (5oC/min; 10oC/min; 15oC/min and 20oC/min) in CO2 atmosphere. Kinetic analyses of calcined eggshells and carbonated eggshells were calculated by the Fllyn-Wall-Ozawa method. As a result, the adsorption capacities of calcined eggshells were found to be in the range of 0.15 g CO2/g ES (+2.8-1.7 mm) and 0.33 g CO2/g ES (-75+45 μm). In addition, it was observed that as the particle size decreased, there was an increase in the adsorption capacity. The average activation energy of carbonized eggshells was calculated as 67.88 kJ/mol.