Süperkritik su ortamında Pt/Al2O3 katalizörü kullanılarak çeşitli alkollerden hidrojen üretimi
Hydrogen production from various alcohols using Pt/Al2O3 catalyst in supercritical water
Yazar: DEMET HAYRİYE ÖZALTUN
Danışman: PROF. DR. MESUT AKGÜN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Çağımızın en önemli araştırma konularından biri olan çevre dostu ve yenilenebilir enerji teknolojileri, gün geçtikçe daha büyük önem kazanmaktadır. Fosil yakıtlardan enerji üretiminin; birçok ülke için, dışa bağımlılığı artırması, ortaya çıkardığı çevresel problemler sebebiyle alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç doğmuştur. Hidrojen çevre dostu olan, yenilenebilir kaynaklardan üretilebilen ve kullanım alanı geniş alternatif enerji kaynağıdır. Fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında, hidrojenin tek atığı ya da ürünü H2O'dur. Fakat hidrokarbon yakıtlar büyük miktarlarda karbondioksit üretirler ve açığa çıkardıkları NOx ve SOx bileşikleri asit yağmuru oluşumuna sebep olurlar.
Kimya endüstrisi, petrokimya endüstrisi, gıda işleme, yarıiletken ve metalürji endüstrisi gibi birçok endüstride çok önemli bir kimyasal olan hidrojenin, hidrojenle çalışan hibrit otomobillerin ve hidrojen yakıt pillerinin yakın gelecekte ticarileşecek olması nedeniyle, gelecekteki en önemli yakıtlardan biri olması beklenmektedir. Ancak karşılaşılan sorun ve bilim insanlarının üzerinde durdukları konu, hidrojenin yüksek saflıkta üretim yöntemlerinin araştırılması ve tehlike yaratmayacak şekilde hidrojen depolama yöntemlerinin geliştirilmesidir.
Günümüzde hidrojen üretimi amacıyla kullanılan başlıca yöntemler, doğalgaz veya çeşitli hidrokarbon karışımlarının buhar yapılandırması, suyun elektrolizi, organik içerikli atıklar ve atık suların mikroorganizmalar kullanılarak dönüşümü ve biyokütlenin hidrotermal gazlaştırılmasıdır. Kritik sıcaklığı 374oC ve kritik basıncı 22,1 MPa olan suyun, süperkritik koşullarda oldukça önemli özellikleri bulunmaktadır. Normal koşullardaki suya göre daha düşük yoğunluğa ve dielektrik sabitine sahip olması sayesinde, organik maddelerin süperkritik su içinde tamamen çözünebilmesi mümkün olmaktadır. Düşük viskozite ve yüksek difüzivite değerleri, süperkritik suyu hızlı ve verimi yüksek reaksiyonların gerçekleştiği bir ortam haline getirmektedir. Reaksiyon koşulları ile birlikte süperkritik suyun özelliklerinin değiştirilebilmesi de bir başka önemli avantajdır. Süperkritik koşullarda su hem reaksiyon ortamı hem de iyonlarına ayrışması sonucu bir asit ya da baz katalizör gibi davranır.
Bu çalışmada, süperkritik su ortamında Pt/Al2O3 katalizörü kullanılarak metanol, etanol ve izobütanolün 0,5 molarlık çözeltilerinden hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir. Kullanılan tüm alkoller için deneyler 10-30 s arasındaki reaksiyon süreleri ve 400-600 oC arasındaki reaksiyon sıcaklıklarında ve 250 bar sabit basınçta gerçekleştirilmiştir. Alkol çeşidi, reaksiyon sıcaklığı ve süresinin hidrojen miktarı, gaz ürün verimi ve TOK dönüşümlerine olan etkileri incelenmiştir.

Abstract:
Environmentally friendly and renewable energy technologies, which is one of the most important research area of the century, are gaining more importanceevery day. Since energy production from fossil sources causes environmental problems and increases external dependency for many countries, there is a needfor alternativeenergy sources. Hydrogen is an alternative energy source that it can be used in large areas and produced from renewable sources.Product or waste of hydrogen is only water compared with usage of hydrocarbon based fossil fuels. However, they produce carbon dioxide in large amounts, and cause acid rains due to NOx and SOx compounds. 
Hydrogen which is an important chemical in many industries such as chemical, petrochemical, food processing, semiconductor and metallurgy, is expected to be one of the most important fuels in future, since PEM fuel cells and hydrogen-blend gaseous fueled internal combustion engines (HBICE) are commercialized in near future. However, main subjects that scientists are focused, are searching of hydrogen production methods in high purity and development of hydrogen storage methods in safely.   
Main methods to produce hydrogen today are steam reforming natural gas and hydrocarbon mixtures, the electrolysis of water, biological conversion of organic containing wastes and wastewaters using microorganisms and hydrothermal gasification of biomass. Water which has critical temperature of 374oC and critical pressure of 22.1 MPa, has the unique physical properties in supercritical conditions. Compared with those of water in normal conditions, since it has lower density and dielectric constant, organics can solve completely in supercritical water. Its low viscosity and high diffusivity causes a rapid and efficient medium for reactions. Another advantage is able to change reaction conditions by changing supercritical water properties with temperature and pressure. Either water in supercritical conditions behaves as a reaction medium or an acid or base catalyst due to the self-dissociation to its ions. 
In this study, hydrogen production from 0.5 M solutions of methanol, ethanol and isobutanol was carried out using Pt/Al2O3 catalyst in supercritical water. Experiments for all alcohols used were proceed in the reaction time range of 10-30 s, in the temperature range of 400-600oC at constant pressure of 250 bar. The effects of kind of alcohol used, reaction temperature and time on the amount of hydrogen produced, gas product yield and TOC conversion were investigated.