Biyokütle kaynağından alternatif yakıt üretimi
Alternative fuel production from biomass
Yazar: NURBANU ÇAKIRYILMAZ
Danışman: PROF. DR. NURAY OKTAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek lisans tezi kapsamında yapılan bu çalışmada biyokütle kaynaklı asetik asitten alternatif yakıt hidrojenin üretimi, yüksek ve kararlı bir aktiviteye sahip, karbon oluşumuna dirençli özgün katalizörler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmada Cu, Ni ve/veya W içerikli silika (MCM-41, SBA-15)/zirkonyum destekli katalizörler hazırlanmıştır. Hazırlanan silika/zirkonyum destekli katalizörlerin yapısal ve fiziksel özelliklerinin belirlenebilmesi amacıyla XRD, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, FTIR, ICP-MS, SEM ve TEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında destek malzemesinin, katalizör içeriğindeki nikel miktarının, katalizör yapısına Cu veya W ilavesinin, katalizör içeriğindeki tungsten miktarının, reaksiyon sıcaklığının ve beslemedeki reaktant molar oranı (asetik asit/su) gibi parametrelerin katalizör aktivitesine etkisi incelenmiştir. Katalizörlerin katalitik aktivite testleri öncelikle konvansiyonel sistemle ısıtılan dolgulu kolon sürekli akış reaktör sisteminde ve bu sistemde en iyi aktiviteyi gösteren katalizörlerin aktivite testleri ise yüksek sıcaklığa düşük enerji ile ulaşılan enerji verimi yüksek mikrodalga reaktör sisteminde yürütülmüştür. Konvansiyonel sistemde gerçekleştirilen Cu içerikli katalizörler ile yapılan çalışmada düşük hidrojen verimi elde edilirken Ni içerikli katalizörler ile yüksek hidrojen verimi elde edilmiştir. Mono metalik katalizörler arasında %100 asetik asit dönüşümü ve %7 kok oluşumu ile en yüksek hidrojen verimi 5Ni@SBA-15 varlığında elde edilmiştir. MCM-41ve Zr-SBA-15 destekli Ni içerikli katalizörlerle yürütülen reaksiyon çalışmalarında karbon oluşumu gözlenirken bu katalizörlerin yapısına W ilave edilerek karbon birikimine karşı direnç arttırılmıştır. Ayrıca katalizörlere W ilavesi ile sentez gazı üretildiği görülmüştür. 25Zr-SBA-15 destekli Ni-W içerikli katalizörlerin W miktarı %10'dan %50'e artırıldığında H2/CO oranı 1 olan sıvı hidrokarbonların üretiminde ve/veya alternatif dizel yakıt sentezinde kullanılabilecek sentez gazının üretildiği belirlenmiştir. Katalizörlerin reaksiyon sonrası XRD, TGA-DTA ve SEM analizleri gerçekleştirilerek reaksiyon sonucunda oluşması muhtemel karbon analiz edilmiştir. TGA analizi sonucunda katalizör yüzeyinde oluşan karbonun W ilavesi ile %1'e kadar düşürülebildiği belirlenmiştir. Çalışma kapsamında konvansiyonel sisteme kıyasla mikrodalga ısıtmalı reaktörde 20 kat daha fazla enerji tasarrufu yapılarak ekonomik hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Hydrogen, utilized as alternative fuel, was produced from biomass oriented acetic acid via catalysts having high activity and resilience to coke formation. Cu, Ni and/or W were used as active materials in the synthesis of silica (MCM-41, SBA-15)/ zirconium supported catalysts. Structural and physical properties of synthesized catalysts were determined by XRD, N2 adsorption-desorption, FT-IR, ICP-MS, SEM and TEM analyses. Effects of support material, nickel amount, addition of Cu or W, tungsten amount, reaction temperature and acetic acid/water amount in feed on catalytic activity were investigated. Catalytic activity tests were initially conducted in a packed bed flow reactor heated with conventional system. Catalysts with highest activity were further tested in a microwave reactor system operated with high energy yield. Results obtained in conventional system for Cu and Ni containing catalysts revealed lower hydrogen yield in the presence of Cu in catalyst structure. 5Ni@SBA-15 catalyst exhibited highest activity among mono-metallic catalysts with 100% acetic and conversion and 7% coke formation. Coke formation was evident with MCM-41 and Zr-SBA-15 supported Ni catalysts. On the other hand, higher resistance to its formation was achieved by W addition on catalyst structure. Formation of synthesis gas was also observed via W addition. Increasing W amount from 10-50% in 25Zr-SBA-15 Ni catalysts resulted in the increase of synthesis gas utilized in production of liquid hydrocarbons having H2/CO ratio of 1 and/or production of alternative diesel fuel synthesis. Spent catalysts were analyzed by XRD, TGA-DTA and SEM against coke formation. Results obtained with TGA analyses showed that the amount of coke formed after reaction could be reduced to 1% with the addition of W on the structure. Hydrogen production with energy conservation up to 20 fold was obtained in microwave heated reactor compared to its conventional alternative.