Benin'de cassava ve yam bitkileri atıklarının biyoenerji potansiyelinin araştırılması
Investigation of bioenergy potential of cassava and yam crops wastes in Benin
Yazar: SOLIATH FASSASSI
Danışman: PROF. DR. HASAN MERDUN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez, Benin'de üretilen cassava ve yam bitkisi atıklarının enerji potansiyelini araştırmayı amaçlamıştır. Bu bağlamda, ilk olarak cassava, yam, kömür ve bunların karışımlarının termal davranışları termogravimetrik analiz (TGA) kullanılarak azot gazı ortamında 10, 20 ve 40 °C dk-1 ısıtma hızında (β) ve atmosferik basınçta analiz edilmiştir. Ardından, TGA verileri FWO ve KAS modelleri kullanılarak kinetik ve termodinamik analiz için kullanılmıştır. İkinci olarak, cassava, yam ve bunların karışımı için sıcaklık (T) ve taşıyıcı gaz akış hızı (TGAH) gibi hızlı piroliz proses parametreleri, Merkezi Kompozit Tasarım (MKT) ile Cevap Yüzey Yöntemi (CCY) kullanılarak Bio-Yağ Verimi (BYV) maksimize etmek için optimize edilmiştir.
TG ve DTG eğrileri, hammaddelerin ilk kütle kaybını nem içeriğini gösteren 200 ila 250°C arasında göstermiştir. İkinci kütle kaybı 430 ila 530°C arasındadır ve yaklaşık %50-60'a karşılık gelmektedir. TG eğrilerine göre, cassava, yam ve karışımlarının bozunmaları yaklaşık 400-700ºC arasında gerçekleşmiştir. Kömür ise 600 ila 700°C arasında kademeli kütle kaybı ile ~600°C'ye kadar sabit kalmıştır. Cassava, FWO ve KAS modelleri için sırasıyla 124,28 ve 121,20 kJ mol-1 gibi nispeten düşük Ea sergilemiştir. FWO modeli için, yam'ın ortalama Ea değeri 129,15 kJ mol-1 ile biraz daha yüksek ve KAS modelinin ortalama Ea değeri ise 126,53 kJ mol-1'dür. Kömür için, her iki model de özellikle yüksek α (0,9) değerinde daha yüksek Ea göstermiştir; FWO için 384,34 kJ mol-1 ve KAS için 387,26 kJ mol-1 değerine ulaşmıştır; bu da onun daha sonraki aşamalarda daha fazla piroliz enerjisi gerektirdiği anlamına gelmektedir. Biyokütlenin hızlı pirolizi için optimum koşullar cassava ve yam için 400oC, cassava ve yam için sırasıyla 200 mL dk-1 ve 500 mL dk-1 olarak belirlenmiştir. En yüksek BYV %47,83 ile karışımda 460°C ve 300 mL dk-1'daki hızlı piroliz şartlarında elde edilmiştir. 200, 500 ve 300 mL dk-1 TGAH'da elde edilen bio-yağ numunelerinin bileşikleri analiz edildiğinde, 300 mL dk-1 hızlı piroliz uygulaması sonucunda elde edilen biyo-yağın daha dengeli hidrokarbon ve asit içeriğine sahip olduğu belirlenmiştir. Genel olarak, cassava ve yam için optimum parametre değerleri, biyoyakıt veya değerli kimyasallar üretmek için uygun görünmektedir.

Abstract:
This thesis aimed to investigate the energy potential of cassava and yam crop wastes produced in Benin. In this context, firstly, the thermal behavior of cassava, yam, coal, and their blends was analyzed by using thermogravimetric analysis (TGA) in a nitrogen gas environment at a heating rate (β) of 10, 20, and 40 °C min-1 and atmospheric pressure. Then, the TGA data was used for kinetic and thermodynamic analysis using FWO and KAS models. Secondly, fast pyrolysis process parameters such as temperature (T) and carrier gas flow rate for cassava, yam, and their blend were optimized to maximize bio-oil yield using Response Surface Methodology with Central Composite Design.
The TG and DTG curves showed first mass loss of feedstocks between 200 and 250°C, which indicates moisture content. The second mass loss was between 430 and 530°C, accounting for about 50-60%. Based on TG curves, degradation for cassava, yam, and their blends was approximately between 400-700ºC. Whereas coal stayed stable until ~ 600°C, with gradual mass loss from 600 to 700°C. Cassava exhibited relatively low Ea of 124.28 and 121.20 kJ mol-1 for FWO and KAS models respectively. For the FWO model, the mean Ea of yam was slightly higher at 129.15 kJ mol-1 and the KAS model had a mean Ea of 126.53 kJ mol-1. For coal, both models showed a higher Ea, particularly at high α (0.9), where Ea reached 384.34 kJ mol-1 for FWO and 387.26 kJ mol-1 for KAS, signifying more energy-demanding pyrolysis at later stages. The optimum conditions for fast pyrolysis of biomass were determined as 400oC, with 200 mL min-1 for cassava and 500 mL min-1 for yam. The highest bio-oil yield of 47.83% was obtained in the fast pyrolysis of biomass blend at 460°C and 300 mL min-1. When the compounds of bio-oil samples obtained at carrier gas flow rate of 200, 500, and 300 mL min-1 were analyzed, it was determined that the bio-oil had more balanced hydrocarbon and acid content as a result of the application of fast pyrolysis at 300 mL min-1. In general, using optimized parameter values for cassava and yam appears to be suitable for producing biofuels or valuable chemicals.