Hidrotermal karbonizasyon ile gıda endüstrisi atıklarından yakıt ve manyetik karbon üretimi
Production of fuel and magnetic carbon from food industry wastes by hydrothermal carbonization
Yazar: ADNAN IBRAHIM AHMED AHMED
Danışman: PROF. DR. TAMER KARAYILDIRIM ; DOÇ. DR. GÖZDE DUMAN TAÇ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmanın birinci kısmında, gıda sanayi atıklarından patates kabuğu, nar ve üzüm 
posasının yakıt olarak değerlendirilebilmesi araştırılmıştır. Bunun için biyokütle kaynakları 
200, 225 ve 250 °C'de 30, 60, 120 ve 240 dakika gibi farklı bekleme sürelerinde hidrotermal 
karbonizasyona (HTK) tabi tutularak katı (hidroçar) ve sıvı ürünler elde edilmiştir. Elde edilen 
hidroçarların kül, uçucu madde, sabit karbon miktarları ile yakıt oranları, elementel bileşimleri, 
üst ısıl değerleri, enerji verimleri, yanma ve yakıt özellikleri, metal içerikleri, slagging ve 
fouling endeksleri güncel tekniklerle bulunmuş, sulu fazların ise toplam fenolik miktarları ve 
antioksidan aktiviteleri sırasıyla Folin-Ciocalteu ve TEAC yöntemleri ile incelenmiştir.
HTK sonuçlarına bakıldığında artan sıcaklıkla beraber hidroçar verimi azalmıştır. Bu 
azalma, biyokütlelerin yapısındaki makro moleküllerin bozunması ile sıvı ve/veya gaz ürünlere 
dönüşmesinden kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde artan sıcaklıkla birlikte patates kabuğu ve 
üzüm posası için kül içeriği, sabit karbon içeriği, yakıt oranı artmış ancak kül fraksiyonu 
azalmıştır. Nar posası için ise artan HTC sıcaklığı ile birlikte tüm parametrelerde artış 
gözlemlenmiştir. HTK sıcaklığı ve süresinin artışı ile tüm hidroçarlar için üst ısı değeri, enerji 
yoğunluğu oranı ve enerji verimleri değerlerinde artış gözlemlenmiştir. Bu artış, 
hidroçarlardaki karbon miktarlarının artışı ile paralellik göstermiştir.
Hidroçarların yakıt özelliklerini bulmak için van Krevelen diyagramları çizilmiş ve tüm 
hidroçarların turba ve linyit kömürüne benzer özellikler gösterdikleri bulunmuştur.
Hidroçarların yanma davranışları hava atmosferi altında TGA ile 20 C/dak ısıtma hızı ile 
900C'ye kadar ısıtılarak incelenmiş ve yanmanın iki adımda gerçekleştiği gözlemlenmiştir. 
HTK ile elde edilen sıvı fazlardaki toplam fenolik bileşik miktarları tüm örnekler için artan 
sıcaklık ve süre ile azalırken antioksidant aktiviteleri artan sıcaklıkla birlikte önce artmış daha 
sonra düşmüştür.
Çalışmanın ikinci kısmında ise nar posası, nar posasının hidrotermal karbonizasyonundan 
elde edilen hidroçar ve nar posasının pirolizinden elde edilen biyoçarın manyetik özellikleri 
incelenmiştir. Bunun için öncelikle nar posası, nar posasının hidrotermal karbonizasyonundan 
elde edilen hidroçar ve nar posasının pirolizinden elde edilen biyoçar, demir kaynağı olarak
demir (III) klorür, alüminyum üretiminin atığı olan kırmızı çamur ve atık su arıtım tesislerinin 
atığı olan kimyasal çamur ile farklı oranlarda karıştırılarak ısıl işlemlere tabi tutulmuştur. Isıl 
işlemler azot, karbon dioksit ve su buharı gibi farklı atmosferler altında farklı sıcaklıklarda 
gerçekleştirilmiştir. Bu işlemler sonrasında elde edilen manyetik karbonların verimleri, kül ve 
metal içerikleri, FT-IR ile fonksiyonel grup analizleri, yüzey alanları ve yüzey özellikleri, XRD 
analizleri, VSM (Titreşimli örnek manyetometre) analizleri ve doyum manyetizasyonu 
özellikleri incelenmiştir. Karakterizasyon sonuçlarına göre en yüksek yüzey alanı 356,96 m2
/g 
ile ANP-KÇ-CO2 kodlu manyetik karbona aitken, en yüksek doyum manyetizasyonu ise 7,58 
emu/g ile ANP-ERM-CO2 kodlu örnekte gözlemlenmiştir.
Elde edilen manyetik karbonların atık sulardaki Cr(VI) iyonunu gidermeleri için adsorban 
olarak kullanımları da incelenmiştir. Bu işlem farklı pH'lerde (2-6), farklı adsorban 
miktarlarında (0,5-5 g/L) ve farklı bekleme sürelerinde (30-240 dk) yapılarak optimum şartlar 
araştırılmış ve optimum şartlar koşullar pH 2, adsorbant miktarı 2 g/L ve bekleme süresi 4 saat
olarak bulunmuştur. Adsorpsiyon izotermleri incelendiğinde de izotermlerin Langmuir modeli
ile uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
In the first part of this study, the usage of potato peel, pomegranate, and grape pomace 
from food industry wastes as fuel was investigated. For this purpose, hydrothermal 
carbonization was performed for all biomasses at 200, 225 and 250 °C at different holding times 
such as 30, 60, 120 and 240 minutes and after hydrothermal carbonization (HTC) solid 
(hydrocar) and liquid products were obtained. The ash contents, volatile matter amounts, fixed 
carbon amounts, fuel ratios, elemental compositions, higher heating values, energy efficiencies, 
combustion and fuel properties, metal contents, slagging and fouling indices of the obtained 
hydrocars were determined by recent techniques, while the total phenolic amounts and 
antioxidant activities of the aqueous phases were found investigated by Folin-Ciocalteu and 
TEAC methods, respectively.
When the HTC results are examined, the hydrochar yields decreased with increasing 
temperature. This decrease is due to the degradation of macromolecules in the structure of 
biomass and their transformation into liquid and/or gaseous products. Similarly, ash contents, 
fixed carbon contents, fuel ratios are increased with increasing temperature for potato peels and 
grape pomace, but the ash fraction was decreased at the same time. For pomegranate pomace, 
an increase was observed in all above mentioned parameters with increasing HTC temperature. 
With the increase in HTC temperature and time, the higher heating values, energy density ratios 
and energy efficiency values were increased for all hydrocars. These increases were in parallel 
with the increase in carbon amounts in hydrochars.
To find the fuel properties of hydrocars, van Krevelen diagrams were drawn, and these 
diagrams showed that all hydrochars had a similar property to peat and lignite coal. The 
combustion behavior of hydrochars was investigated by heating up to 900 °C with 20 °C/min 
heating rate under the air atmosphere in TGA and it was observed that the combustion of all 
hydrochars took place in two main steps. The total amount of phenolic compounds in the 
aqueous phases obtained from HTC were decreased with increasing HTC temperature and time 
for all samples, while it was found that the antioxidant activities of aqueous phases firstly 
increased then decreased with increasing HTC temperatureIn the second part of the study, the magnetic properties of pomegranate pomace, 
hydrocarch obtained from hydrothermal carbonization of pomegranate pomace and biochar 
obtained from pyrolysis of pomegranate pomace were investigated. For this purpose, first of 
all, pomegranate pomace, hydrochar obtained from the hydrothermal carbonization of the 
pomegranate pomace, and biochar obtained from the pyrolysis of the pomegranate pomace were 
mixed with iron sources- iron (III) chloride, red mud which is the waste of aluminum 
production, and chemical sludge which is the waste of wastewater treatment plants in different 
proportions then heated. The heat treatments were carried out at different temperatures and 
under different atmospheres such as nitrogen, carbon dioxide and water vapor. The yields, ash 
and metal contents, functional group analyzes with FT-IR, surface areas and surface properties, 
XRD analyzes, VSM (Vibrating sample magnetometer) analyzes, and saturation magnetization 
properties of the obtained magnetic carbons were investigated. According to the 
characterization results, the highest surface area was 356.96 m2
/g belonged to the magnetic 
carbon coded ANP-KÇ-CO2, while the highest saturation magnetization was observed with 
7.58 emu/g value for the sample coded ANP-ERM-CO2 with.
The use of the obtained magnetic carbons as adsorbent in order to remove Cr(VI) ion in 
wastewater was also investigated. This process was carried out at different pH (2-6), different 
adsorbent amounts (0.5-5 g/L) and different waiting times (30-240 min) to investigate the 
optimum conditions. The optimum conditions were found as pH 2, adsorbent amount 2 g/L and
4 hours. When the adsorption isotherms were examined, it was observed that the isotherms 
were compatible with the Langmuir model.