Süperkritik su ortamında zeytin karasuyunun PT katalizörü kullanılarak hidrotermal arıtımı ve gazlaştırılması
Hydrothermal treatment and gasifivation of olive mill wastewater using platin catalyst in supercritical water
Yazar: SİNAN KUTLUAY
Danışman: DOÇ. DR. MESUT AKGÜN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: 1,2-dikloroetan = 1,2-dichloroethane ; 1-siklopropil-1,3-butadien = 1-cyclopropyl-1,3-butadiene

Özet:
Son zamanlarda yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi sürekli artış göstermektedir. Bu kaynaklar arasında biyokütle enerjisi önemli bir yer tutmaktadır. Aynı zamanda, biyokütleden enerji üretmek amacıyla çeşitli enerji dönüşüm teknolojileri uygulanmakta ve denenmektedir. Süperkritik su ortamında katalitik hidrotermal gazlaştırma, her türlü sulu organik karışımın, suyun kritik noktasının (T=374°C, P=221 bar) üzerindeki sıcaklık ve basınç koşullarında gazlaştırılarak arıtılmasına dayanan çok etkili bir yöntemdir. Bu koşullarda, apolar özelliğe sahip organik maddeler su ile her oranda karışabilir ve tek faz oluşturur. Ayrıca yüksek sıcaklıktan kaynaklanan kinetik enerjileri nedeniyle, su molekülleri arasındaki hidrojen bağları kopar ve süperkritik suyun dielektrik sabiti, apolar özelliğe sahip organik çözücülerinkine yakın değerler alır. Böylece tepkimeler, kütle aktarımı kısıtlamaları olmadan rahatlıkla gerçekleşebilir. Ayrıca süperkritik su ortamının sağladığı yüksek kinetik enerjiye sahip moleküller, ortam yoğunluğu sayesinde sıklıkla etkin çarpışma imkanı bulurlar. Böylece süperkritik su koşullarında katalitik hidrotermal gazlaştırma ile çok kısa reaktörde kalma sürelerinde %100'e yakın arıtma verimine ulaşılır.Bu tez çalışmasında, süperkritik su koşullarında zeytin karasuyunun, dolgulu yatak reaktör sisteminde, Pt/Al2O3 katalizörü kullanılarak arıtımı ve gazlaştırılması araştırılmıştır. Kirlilik potansiyeli oldukça yüksek olan karasuyun arıtımı ve uzaklaştırılması, tüm Akdeniz ülkelerinde çözüm bekleyen önemli bir çevresel problem olarak kabul edilmektedir. Zeytin karasuyunun içerdiği yüksek miktardaki organik kirlilik biyokütle olarak değerlendirilmiş, süperkritik su ortamında gazlaştırılması yapılırken aynı zamanda arıtımı sağlanmıştır.Zeytin karasuyunun süperkritik su ortamında, platin (Pt/Al2O3) katalizörü kullanarak hidrotermal arıtımı ve gazlaştırılması sonucunda hidrojen, metan, etan, propan ve propilen gibi enerji üretiminde kullanılabilen gazlar elde edilmiştir. Geliştirilen prosesle atıktaki organik içeriğin büyük oranda giderilmesi ve gerçek bir biyokütle kullanılarak enerji eldesi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla yapılan deneylerde: 250 bar basınç altında beş farklı reaksiyon sıcaklığı (400, 450, 500, 550 ve 600?C) ve beş farklı reaksiyon süresinin (10, 15, 20, 25, ve 30s); gaz kompozisyonuna, net gaz debisine, toplam enerji miktarına ve toplam organik karbon (total organic carbon-TOC) değişimine etkileri incelenmiştir. Daha sonra sistem basıncının etkisini incelemek için 100, 150, 200, ve 250 bar basınçta, konsantrasyon etkisini incelemek için de 2000, 4000, 6000, 8000 ve 10000 mg/L konsantrasyonda deneyler yapılarak bu parametrelerin etkileri incelenmiştir. Ayrıca elde edilen deneysel veriler kullanılarak katalitik hidrotermal bozunma reaksiyonunun kinetik modeli oluşturulmuştur.

Abstract:
Nowadays, curiosity on new and renewable energy sources increases continually. Biomass energy in these sources falls into priority. At the same time, various energy conversion technologies are applied and tried to produce energy from biomass. Catalytic hydrothermal gasification in supercritical water is an effective method that all manner of aquous organic mixtures are treated and gasified at temperatures and pressures over the critical point of water (T=374°C, P=221 bar). In these conditions, organics, which has nonpolar properties, are miscible completely with water, and a single phase is observed. In addition, the hydrogen bondings between water molecules dissociate because of high kinetic energy of them, and dielectric constant of water in supercritical conditions comes close to those of nonpolar organic solvents. The reactions can be carried out easily without mass transfer limitations. The molecules have high kinetic energy due to medium of supercritical water, and they come into collusion effectively because of density of the medium. Thus, it was obtained treatment efficiency upto 100 % in very short residence times by cataliytic hydrothermal gasification in supercritical conditions of water.In this study, the treatment and gasification of olive mill wastewater was investigated using a Pt/Al2O3 catalayst in a packet bad reactor at supercritical water conditions. The treatment and elimination of the olive mill wastewater is accepted as an important environmental problem which has to be solved in mediterian countries. High amount of organic contaminant in the olive mill wastewater are considered as a biomass source, and while its gasification is carried out in supercritical water, its treatment is provided at the same time.As a result of this work, gases such as hydrogen, methane, ethane, propane, propylene which can be used as energy, were obtained. With developed process, either organic content has been removed from wastewater and obtained energy from a real biomass. In accordance with this purpose, the experiments were carried out at a constant pressure of 250 bar, different five reaction temperatures (400, 450, 500, 550 and 600?C) and different five reaction times (10, 15, 20, 25 and 30 s). Effects of experimental conditions on gas composition, net gas flow rate, total energy amount and total organic carbon (TOC) exchange were investigated. Afterwards, experiments were made at 100, 150, 200, 250 bar pressure in order to examine effective of system pressure. The effects of reactant concentration on the same parameters were investigated at 2000, 4000, 8000, 10000 mg/L concentrations. Furthermore, using experimental data obtained, a kinetic model of catalytic decomposition reaction was developed.