Biyoyakıt üretiminde kullanılacak katalizörlerin geliştirilmesi ve aktivitelerinin belirlenmesi
Development of catalysts to be used in biofuel production and determination of their activities
Yazar: ENEZ ALAN
Danışman: PROF. DR. KIRALİ MÜRTEZAOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüz teknolojisinin gelişimi ve buna bağlı olarak hızla artan nüfusun beraberinde getirdiği enerji ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Enerji ihtiyacının karşılanabilmesi için fosil yakıtların kullanılması sonucunda oluşan CO2 gazının atmosferde birikimi ile ortaya çıkan küresel ısınma, iklim değişikliği gibi dünyamızın geleceğini tehdit eden oldukça önemli problemler meydana gelmiştir. Bilim insanları artan enerji talebini karışılamak ve gelecek nesillere sürdürülebilir ve temiz bir dünya bırakmak için farklı enerji kaynaklarını kullanmaya yönelmişlerdir. Biyoyakıtlar dikkatleri üzerine çeken alternatif enerji kaynaklarından birisidir. Biyo-yağların oksijen içeriği petrolle kıyaslandığında oldukça yüksek orandadır. Biyo-yağın ihtiva ettiği %28-40 oranında yüksek oksijen içeriği yakıtın kalitesini düşürmektedir. Bu yüksek oksijen içeriği düşürülerek petrol türevi yakıtlarla benzer özelliklere sahip ve motorlu araçlarda kullanılabilecek yakıtlar elde edilebilir. Yüksek lisans tez çalışması kapsamında biyo-yağın yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi reaksiyonlarında kullanılacak kok oluşumuna dirençli ve uzun süre aktivite gösterecek katalizörlerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmalarda pirinadan elde edilen biyo-yağı temsilen formik asit, hidroksipropanon, furfural ve eş reaktan etanol karışımından oluşan model bileşik karışımı kullanılarak katalitik parçalanma reaksiyonlarında biyoyakıt üretimi gerçekleştirilmiştir. Aktivite test çalışmaları 1 atm. reaksiyon basıncı altında, 400oC reaksiyon sıcaklığında ve Etanol/Reaktan oranı 70/30 (hacimsel) olan reaksiyon şartlarında gerçekleştirilmiştir. Aktif metaller (Zr, Co, W) mezogözenekli alümina destek malzemesine emdirme yöntemiyle yüklenerek iki metalli ve üç metalli katalizörler hazırlanmıştır. Sentezlenen tüm katalizörlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirleyebilmek amacıyla XRD, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, SEM, EDS, ICP-MS, FTIR, DRIFTS ve TGA-DTA analizleri yapılmıştır. Aktivite test çalışmaları sonucunda birlikte emdirme yöntemiyle hazırlanan 5Co-10Zr@MA katalizörü varlığında en yüksek dönüşüm (%95) ve en yüksek izo-parafin seçiciliği (%93) olarak elde edilmiştir. Tekrarlanabilirlik testleri sonucunda 5Co-10Zr@MA katalizörü aktivitesini korumuştur. Sonuç olarak mezogözenekli alümina katalizörlerinin varlığında yüksek dönüşüm ve seçicilikle başarılı şekilde biyoyakıt üretimi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The energy needs brought about by the development of modern technology and, accordingly, the rapidly growing population is increasing day by day. In order to meet the energy need, quite crucial problems that threaten the future of our world have arisen , such as global warming and climate change, which are caused by the accumulation of greenhouse gases, especially CO2, in the atmosphere as a result of the use of fossil fuels. Scientists have inclined to use different energy sources to meet the increasing energy demand and leave a sustainable and clean world for future generations. Biofuels are one of the alternative energy sources that attract attention. The high oxygen content of bio-oils is quite high compared to petroleum. The high oxygen content of 28-40% contained in bio-oil reduces the quality of the fuel. By improving the high oxygen content of bio-oil, fuels can be obtained that have similar properties to petroleum-derived fuels and can be used in motor vehicles. Within the scope of the thesis, it is aimed to develop catalysts that are resistant to coke formation and will show activity for a long time to be used in bio-oil upgrading reactions. In the studies, the production of biofuel in catalytic cracking reactions was carried out using a model compound mixture consisting of a mixture of formic acid, hydroxypropanone, furfural and co-reactant ethanol, representing bio-oil obtained from pirina. Activity test studies were carried out under the reaction conditions with a temperature of 400oC and an Ethanol/Reactant ratio of 70/30 under 1 atm. pressure. Two-metal and three-metal catalysts have been prepared by loading the active metals (Zr, Co, W) into the mesoporous support material. In order to determine the physical and chemical properties of all synthesized catalysts; XRD, N2 adsorption-desorption, SEM, EDS, ICP-MS, FTIR, DRIFTS and TGA-DTA analyses were performed. As a result of activity test studies, the highest conversion rate of 95% and the highest iso-paraffin selectivity of 93% were obtained in the presence of 5Co-10ZR@MA catalyst prepared by co-impregnation. As a result of repeatability tests, the 5Co-10ZR@MA catalyst retained its activity. As a result, bio-fuel production has been successfully carried out with high conversion and selectivity in the presence of mesoporous alumina catalysts.