Karaçam talaşının pirolizi ve biyoçarların metanol oksidasyonu uygulamaları
Pyrolysis of black pine sawdust and methanol oxidation applications of biochars
Yazar: YAHIA BANI HANI
Danışman: PROF. DR. MEHMET KUDDUSİ AKALIN ; DOÇ. DR. MEHMET ERMAN MERT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, deneylerin ilk bölümünde karaçam (Pinus nigra) talaşının pirolizi 300, 400, 500 ve 600°C'de 10°C/dak ısıtma hızıyla gerçekleştirilmiştir. Piroliz sıcaklığının ürün verimi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Maksimum biyo-yağ verimi (%44,96) 500°C piroliz sıcaklığında elde edilmiştir. Sıcaklıktaki artış, 500°C'ye kadar biyo-yağ veriminde artışa yol açmış ve bu noktanın üzerinde biyo-yağ verimi azalmıştır. Biyoçar verimi piroliz sıcaklığının artmasıyla azalmıştır. Maksimum üst ısıl değere (HHV) (24,65 MJ/kg) sahip biyo-yağ ve maksimum HHV'ye (30,00 MJ/kg) sahip biyoçar sırasıyla 400°C ve 500°C'den elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında; 500°C'de elde edilen biyoçar malzemesine yeşil sentez yöntemiyle üretilmiş Fe2O3 partikülleri ilave edilerek Ni köpük elektrot yüzeyine uygulanmış ve elektroaktif kompozit anot malzemesi üretimi sağlanmıştır. Elde edilen Ni köpük/Fe2O3-biyoçar katalizörünün alkali ortamda metanol yakıt hücresi için bir anot olarak potansiyel uygulaması araştırılmıştır. Elektrokatalizör örneklerinin elektrokimyasal ölçümleri dönüşümlü voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), doğrusal tarama voltametrisi (LSV) ve kronoamperometri (CA) ile gerçekleştirilmiştir. Biyoçarın genişleyen yüzey alanı, metanol elektrooksidasyonu için daha fazla elektroaktif bölgenin oluşmasını sağlamış ve biyoçarın elverişli yapıları, metanol oksidasyonu için katalizörlerin elektrokatalitik aktivitesinin artmasını desteklemiş ve Fe2O3 yüklemesi için elverişli matrisler üretmiştir. Elde edilen sonuçlar, metanolün elektrooksidasyonunun 0,36 V'ta gerçekleştiğini göstermektedir. Elektrokatalizör 0,55 V'ta neredeyse 4 A g-1 akım yoğunluğu ile dikkate değer bir aktivite göstermiştir. Rct değerleri Ni köpük ve Ni köpük/Fe2O3-biyoçar için sırasıyla 0,55 V'da 0,73 Ω ve 0,45 Ω olmuştur. Uzun süreli ölçümler, Ni köpük/Fe2O3-biyoçar katalizörlerinin CA analizinden önce ve sonra %4'lük bir akım farkı ile oldukça kararlı olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this study, in the first part of the experiments, pyrolysis of black pine (Pinus nigra) sawdust was performed at 300, 400, 500, and 600°C with a 10°C/min heating rate. The effect of the pyrolysis temperature on the product yields was investigated. The maximum bio-oil yield (44.96%) was obtained at 500°C pyrolysis temperature. The increase in temperature led to an increase in bio-oil yields up to 500°C, and above this point, the bio-oil yield decreased. The biochar yield decreased with increasing the pyrolysis temperature. The bio-oil which has the maximum higher heating value (HHV) (24,65 MJ/kg) and the biochar which has the maximum HHV (30,00 MJ/kg) was obtained from 400°C and 500°C, respectively. In the second part of the study, the Fe2O3 particles which were produced via green synthesis method were added to biochar obtained from 500°C and applied to the surface of the Ni foam electrode, and the production of electroactive composite anode material was performed. The potential application of Ni foam/Fe2O3-biochar catalyst as an anode for a methanol fuel cell in alkaline medium was investigated. The electrochemical measurements of electrocatalyst samples were achieved via cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), linear sweep voltammetry (LSV), and chronoamperometry (CA). The enlarged surface area of biochar enabled the formation of more electroactive sites for methanol electrooxidation and favorable structures of biochar could support to increased electrocatalytic activity of catalysts for methanol oxidation and produce favorable matrices for Fe2O3 loading. The obtained results demonstrate that the electrooxidation of methanol occurred at 0.36 V. The electrocatalyst demonstrated remarkable activity with almost 4 A g-1 current density at 0.55 V. The Rct values were 0.73 Ω and 0.45 Ω at 0.55 V, for Ni foam and Ni foam/Fe2O3-biochar, respectively. Long-term measurements demonstrated that the Ni foam/Fe2O3-biochar catalysts were remarkably stable, with a 4 % difference in current before and after the CA analysis.