Atık ve artıklardan hidrojen gazı eldesi
Hydrogen production from wastes
Yazar: HAKAN ÇAY
Danışman: PROF. DR. JALE YANIK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada farklı biyokütlelerden farklı katalizörler kullanılarak katalitik su buharı gazlaşmasıyla hidrojence zengin gaz eldesi amaçlanmıştır.
Tezin ilk bölümünde zeytin ağacı budama atıklarının (OTP) su buharı gazlaşması sabit iki yataklı reaktörde gerçekleştirilmiştir. 0,5 mL/dk su buharı akışıyla beraber 100 mL/dk N2 akışı altında farklı katalizör yatak sıcaklıklarının (600 ve 700 °C), farklı katalizör destek malzemeleri & destek malzemelerine farklı oranlarda aktif metal eklemelerin ve katalizor hazirlama tekniklerinin gaz ürün verimi üzerine etkisi incelenmiştir. Katalizör olarak kırmızı çamur (ARM), dolomit (CD) ve CeO2 bazlı katalizörler denenmiştir. Katalizör hazırlama işleminin optimizasyon çalışmaları kırmızı çamur bazlı katalizörlerle termal ve plazma yöntemi kullanarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, plazma aktivasyonu uygulanmış katalizörlerin gaz ürün verimlerine etkisi olmadığı görülmüştür. Ayrıca, ARM ve CD katalizörlere %2,5, 5, 7,5 ve 10 oranlarında Ni eklenerek hazırlanan katalizörler ile de farklı alt yatak sıcaklıklarında katalitik su buharı gazlaşma denemeleri yapılmıştır. Bu denemelerde %7,5 Ni oranının, H2 verimini termal denemelere göre 600 °C ve 700 °C alt yatak sıcaklıklarında, sırasıyla, %36 ve %60 oranında arttırdığı saptanmıştır. İlginçtir ki Ni yüklemesi yapılmamış ARM katalizörü kullanıldığında, 700 °C alt yatak sıcaklığında H2 verimi termal gazlaştırmaya göre %52 miktarında artmıştır. Dolomit destekli metal katalizör ile yapılan gazlaştırma denemelerinde de katalitik etkinin 700 °C ve %7,5 metal yükleme oranında maksimuma çıktığı görülmüştür. Elde edilen veriler doğrultusunda 700 °C alt yatak sıcaklığı ve %7,5 metal yükleme maksimum H2 üretimi için optimum olarak kabul edilmiştir. Bu koşullarda yapılan gazlaştırmada CeO2 bazlı katalizörler H2 verimi açısından biraz daha az katalitik aktivite göstermiştir.
Tezin ikinci kısmında, birinci kısımda saptanan optimum katalitik koşullarda çam talaşı (PD) ve evsel atıksu arıtma çamurunun (MS) su buharı gazlaşması çalışılmıştır. MS`nin yüksek kül içeriği nedeniyle elde edilen gaz ürün verimleri hem termal hem de katalitik denemelerde oldukça düşük kalmıştır. Diğer yandan PD nin gazlaştırılmasıyla OTP'nin gazlaştırılmasına benzer verimlerde H2 elde edilmiştir.
Tezin son bölümünde, kullanılan katalizörlerin rejenere edilerek tekrar kullanılabilirliği seçilmiş katalizörler için araştırılmıştır. 5 döngüde gerçekleştirilen denemelerde, 5. döngü sonunda katalizörlerin hepsinin hala stabil yapıda olduğu hem gaz ürün verimleri hem de karakterizasyon çalışmalarıyla gözlemlenmiştir

Abstract:
In this study, it was aimed to investigate the usability of different biomass in the steam gasification process and to increase the hydrogen-rich gas content by catalytic steam gasification by using different catalysts.
In the first part of the thesis, steam gasification of olive tree pruning waste was carried out in a fixed two-bed reactor. Under 100 mL/min N2 flow with 0,5 mL/min steam flow, the effects of different bottom bed temperatures, different catalysts, support materials & active metal additions at different rates to support materials, and catalyst preparation techniques on gas product yields with thermal and catalytic steam gasification were examined. As catalysts, red mud, dolomite and CeO2-based catalysts were tested at bottom bed temperatures of 600 and 700 °C. Different ratios of Ni and Fe were added to the selected support materials. Optimization studies of the catalyst preparation process were carried out using thermal and plasma methods with red mud-based catalysts. According to the results, it was observed that plasma activation catalysts had no effect on gas product yields. The amount of metal loaded into the catalyst support materials was added to red mud and dolomite-based catalysts at the rates of 2,5, 5, 7,5 and 10%, respectively, and its effect was investigated at different bottom bed temperatures. The results showed that 7,5% Ni ratio increased the amount of hydrogen gas by 36% at a bottom bed temperature of 600 °C and by 60% at a bottom bed temperature of 700 °C, according to thermal experiments. Interestingly, when a red mud catalyst without Ni loading was used, the amount of H2 increased by 52% at 700 °C. The same study was carried out with dolomite supported catalysts and it was observed that the catalytic effect was maximized at 700 °C and 7,5% metal loading rate. In line with the data obtained, these process parameters were accepted as optimum.
In the second part of the thesis, the usability of pine dust and sewage sludge in steam gasification was investigated. Due to the high ash content of MS, the gas product yields obtained were quite low in both thermal and catalytic experiments. In addition, it has not been considered as a suitable biomass for steam gasification because its high inorganic content may cause blockages in the reactor if used continuously. In the experiments conducted with pine dust, higher hydrogen gas was obtained due to its lower extractive content than OTP. These results showed that OTP and PD are suitable raw materials for steam gasification.
In the last part of the thesis, the reusability of the used catalysts by regeneration was investigated. For this purpose, R-ARM, R-7.5Ni-ARM, R-7.5Ni-CD and R-7.5Fe-CeO2 catalysts were selected. It was observed through both gas product yields and characterization studies that all of the catalysts used in the experiment carried out in 5 cycles were still stable at the end of the 5th cycle.