Gliserinden elektrokimyasal yeniden yapılandırma yöntemi ile hidrojen üretimi
Production of hydrogen by the electrochemical reforming of glycerol
Yazar: MERVE GÖRDESEL YILDIZ
Danışman: PROF. DR. ÖZKAN MURAT DOĞAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU UYSAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrokimya = Electrochemistry ; Elektrokimyasal yöntem = Electrochemical method ; Elektrokimyasal ölçümler = Electrochemical measurements ; Gliserin = Glycerin ; Hidrojen = Hydrogen ; Yeniden yapılanma = Restructuring

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında gliserinden elektrokimyasal yeniden yapılanma yöntemiyle hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir. Biyodizel yan ürünü olan gliserinden hidrojen üretimi biyo-rafineri prosesine entegrasyon nedeniyle umut verici bir konudur. Ayrıca atık yönetimi ve enerji tüketimi açısından gliserin elektrokimyasal yeniden yapılanması su elektrolizine iyi bir alternatif oluşturmaktadır. Çalışmada beş ayrı sistem üzerinde deneyler yürütülerek yapılan parametre çalışmalarıyla farklı çalışma koşulları altında sistemin performansı değerlendirilmiş ve gliserin elektro-oksidasyonu için en uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. Basit elektroliz hücresinde gerçekleşen deneylerde farklı koşullarda altında potansiyel uygulamalarıyla sistemden alınan akım yoğunluğu değerleri kaydedilmiştir. Elde edilen akım yoğunluğu değerleri H2 oluşumuyla ilişkilendirilmiştir. Çalışmada gliserin konsantrasyonu 0,4 M ve elektrolit konsantrasyonu ise 0,04 M H2SO4 olarak belirlenmiştir. Basit elektroliz hücresi deneylerinden elde edilen sonuçlar ışığında Hoffman elektroliz hücresinde gaz ürünlerin nicel ve nitel analizi gerçekleştirilmiştir. Üç elektrotlu sistemde CV yöntemiyle çalışılarak voltametrik davranışlar kaydedilmiş ve gliserin elektro-oksidasyonuna özgü pikler belirlenmiştir. Ayrıca Tafel eğrisi yardımıyla toplam reaksiyon hız ifadesi geliştirilmiştir. Basit elektroliz hücresindeki kısıtlar nedeniyle deneylere farklı türlerde çözelti besleme çeşitliliğine sahip ve membran ile anot katot bölmeleri birbirinden ayrılabilir iki bölmeli elektroliz hücresinde devam edilmiştir. Deneyler anlık potansiyel-akım yoğunluğu ölçümleri, uzun süreli performans testler ve GC gaz analizleri şeklinde yürütülmüştür. Çalışmanın bu aşamasında membran ve membrana uygulanan ön işlem etkisi belirlenmiştir. Çalışma koşulu olarak oda sıcaklığı ve 2 V sabit potansiyel uygulaması mevcut sistemde gliserin elektrokimyasal yeniden yapılandırılması için en uygun şart olarak belirlenmiştir. Yapılan AAS analizleri bu sonucu desteklemiştir. Uzun süreli performans deneylerine göre deney süresince ortamdaki gliserin harcanmasına bağlı olarak performans düşüşü görülmüştür. Yapılan FTIR analizi bu sonucu doğrulamıştır. Bu durumu iyileştirmek amaçlı sistem sürekli çözelti beslemeli hale getirilerek akım yoğunluğu değerlerinde %35 artış sağlanmıştır. İki bölmeli elektroliz hücresinde MET (membran elektrot takımı) kullanılamaması gibi kısıtlardan dolayı nihai deney sistemi olan kübik elektroliz hücresine geçilmiştir. Katot için 5,7 mg/cm2 %10 Pt/C (0,57 mg/cm2 Pt), anot için 5 mg/cm2 Zn yüklü MET ile nozzle tip bakır akım toplayıcı kullanılarak en yüksek akım yoğunluğu elde edilmiştir. Bu çalışma ile elde edilen sonuçlar, teknolojik gelişme ve endüstriyel entegrasyon açısından henüz emekleme aşamasında olan gliserin elektrokimyasal yeniden yapılanmasının gelişimine katkı sağlamıştır. Sistem iyileştirilmesi ve parametre çalışmalarıyla gliserin elektrokimyasal yeniden yapılanması için en uygun koşullar belirlenmiş ve hidrojen üretimi artırılmıştır.

Abstract:
In this thesis, hydrogen production was carried out from glycerol by electrochemical reforming method. Hydrogen production from glycerol, a by-product of biodiesel, is a promising approach due to its integration into the biorefinery process. In terms of waste management and energy consumption, glycerol electrochemical reforming is a good alternative to water electrolysis. In the study, the performance of the system was evaluated under different operating conditions with the parameter studies carried out on five different systems, and the most suitable operating conditions for glycerol electro-oxidation were determined. In the experiments carried out in the basic electrolysis cell, the current density values with the electrical potential applications under different conditions were recorded. The current density values were associated with the formation of H2. In the study, glycerol concentration was determined as 0.4 M and electrolyte concentration as 0.04 M H2SO4. In the light of the results obtained from the basic electrolysis cell experiments, quantitative and qualitative analysis of the gas products was carried out in Hoffman electrolysis cell. By working with CV method in the three-electrode system, voltammetric behaviors were recorded and specific peaks for glycerol electro-oxidation were determined. In addition, the total reaction rate expression was developed using the Tafel curve. Due to the constraints in the basic electrolysis cell, the experiments were continued in a two-compartment electrolysis cell, which has different types of solution feeding diversity and anode-cathode compartments can be separated from each other by membrane. Experiments were carried out in the form of instantaneous potential-current density measurements, long-term performance tests and GC gas analyses. At this stage of the study, the membrane and the pretreatment effect applied to the membrane were determined. Room temperature and 2 V constant potential were determined as the most suitable conditions. AAS analyses supported this result. According to long-term performance experiments, performance decrease was observed due to the consumption of glycerol during the experiment. FTIR analysis confirmed this result. In order to improve this situation, system was operated as a continuous solution feed and 35% increase in current density values was achieved. Due to constraints such as the inability to use MEA in the two-compartment electrolysis cell, the cubic electrolysis cell, which is the final experimental system, has been used. The highest current density was obtained by using a nozzle type copper current collector and MEA loaded with 5.7 mg/cm2 10% Pt/C (0.57 mg/cm2 Pt) for the cathode and 5 mg/cm2 Zn for the anode. The results obtained with this study contributed to the development of glycerol electrochemical reforming which is still in its beggining in terms of technological development and industrial integration. With system improvement and parameter studies, the most suitable conditions for glycerol electrochemical reforming were determined and hydrogen production was increased.