Kanola yağından DMC-biyodizel üretimi için katalizör tasarımı ve kinetik çalışmalar
Catalyst design and kinetic studies for DMC-biodiesel production from canola oil
Yazar: YAVUZ KÖSEKUL
Danışman: DOÇ. DR. NEZAHAT BOZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, metanol yerine dimetil karbonat kullanılarak, kanola yağından DMC-Biyodizel üretimi için KF yüklenmiş Hidroksiapatit bazik katalizörleri farklı derişimlerde hazırlanmış ve farklı reaksiyon koşullarında (sıcaklık, başlangıç derişimleri, katalizör miktarı ve deney süresi) aktiviteleri test edilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında Hidroksiapatit sentezi birlikte çöktürme yöntemiyle yapılmıştır. Ayrıca yöntem hidrojen peroksit ile modifiye edilerek 206,6 m2/g yüzey alanına sahip hidroksiapatit-H2O2 destek malzemesi üretimi yapılmıştır. Hidroksiapatit destek malzemesine farklı oranlarda KF kuruluğa kadar emdirme yöntemiyle yapıya yüklenmiş ve farklı bazikliğe sahip katalizörler hazırlanmıştır. Hidroksiapatit, hidroksiapatit-H2O2 ve KF yüklü katalizörlerinin karakterizasyonu BET, XRD ve SEM-EDS analizleri ile yapılmıştır. Katalizör destek malzemesi olarak hidroksiapatit-H2O2 malzemesi seçilerek %41,3 KF yüklenen katalizör en başarılı katalizör olarak seçilmiştir. En yüksek metil ester verimi yaklaşık %96,3 olarak optimum reaksiyon koşulları altında (12:1 DMC/yağ oranı, kütlece %7 katalizör miktarı, 85°C reaksiyon sıcaklığı, 8 saat reaksiyon süresi) elde edilmiştir. Katalizör tekrar kullanım deneylerinde başarılı bir şekilde geri kazanılmış ve 3 kere tekrar kullanım sonunda %2 verim kaybı olmasına rağmen benzer çalışmalara göre başarılı bulunmuştur. Kanola yağının DMC ile transmetilleme reaksiyon kineği çalışmalarında görünür reaksiyon hızı, reaksiyon mertebesi ve reaksiyon hız sabiti değerleri DMC'nin fazla olduğu derişim aralığında bulunmuştur. Arhenius aktivasyon enerjisi 31,8 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Görünür reaksiyon mertebeside yaklaşık 1,16 civarında, beklenildiği gibi yağın 1 olan stokiyometrik reaksiyon mertebesinde bulunmuştur. Bu çalışmada kullanılan katalizör gözenekli yapıya sahip olduğundan transmetilleme reaksiyon kinetiği kütle transfer (difüzyon) kontrollü yürümektedir. Bu çalışmada ürün analizinde metil ester fazı, yağ asidi gliserin karbonat ve gliserin dikarbonat içeren bir yakıt karışımı elde edildi.  Metil ester fazındaki yan ürünler oksijenli bileşenler olduğundan ayırma gerektirmeksizin direk olarak biyodizel yerine kullanılabilir.

Abstract:
In this study, KF-loaded hydroxyapatite basic catalysts for DMC-Biodiesel production from canola oil using dimethyl carbonate were prepared at different concentrations and activitities of these catalysts were tested at different reaction conditions (temperature, initial concentrations, catalyst amount and duration of the experiment). In the first phase of the study, hydroxyapatite synthesis was carried out by co-precipitation. In addition, the process was modified with hydrogen peroxide to produce hyroxyapatite-H2O2 support material with a surface area of 206.6 m2/g. Different concentrations of KF was loaded into hyroxyapatite support material by impregnation method in order to prepare the basic catalysts with different basicity. Characterization of hyroxyapatite, hyroxyapatite -H2O2 and KF loaded catalysts was carried out by BET, XRD and SEM-EDS analyzes. The hyroxyapatite-H2O2 was selected as the catalyst support material and 41.3% KF loaded into support material was selected as the most successful catalyst. The highest methyl ester yield was obtained as about 96.3% under optimum reaction conditions (12: 1 DMC/oil ratio, 7% catalyst by mass, 85°C reaction temperature, 8 hours reaction time). The 41.3 % KF loaded basic catalyst was successfully recovered in reuse experiments and was found to be successful compared to similar studies, despite a 2% loss of efficiency at the end of 3 reuse. The apparent reaction rate, reaction order, and reaction rate constant values of transmethylation of canola oil with DMC were obtained in the range of concentration where the DMC is in excess. The Arhenius activation energy was calculated to be 31.8 kJ/mol. The apparent reaction order was found to be about 1.16, as stoichiometric reaction order of oil is 1 as expected. Since the basic catalyst used in this study has a porous structure, the transmethylation reaction kinetic is carried out under mass transfer (diffusion) controlled. In this study, a fuel mixture containing methyl ester phase, fatty acid glycerol carbonate and glycerin dicarbonate was obtained in product analysis. Since the by-products in the methyl ester phase are oxygenated components, they can be used directly instead of biodiesel without any separation.