Biyokütleden fenolik hidrokarbonlarca zengin değerli kimyasalların elde edilmesi
Production of phenolic-rich value added chemicals from biomass
Yazar: ELİF YAMAN
Danışman: PROF. DR. NURGÜL ÖZBAY
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, katalitik piroliz yöntemi kullanılarak biyokütleden fenolik hidrokarbonlarca zengin değerli kimyasalların elde edilmesi amaçlanmıştır.   Biyokütle örneği olarak göknar ağacı talaşı, çam ağacı talaşı ve fındık kabuğu seçilmiştir.   Çalışmanın ilk bölümünde biyokütlelere asidik ve hidrotermal ön işlem uygulanmış, ikinci bölümünde bu biyokütle örneklerinin ısıl bozunma kinetiği incelenmiş, üçüncü bölümde ise Py-GC/MS sistemi kullanılarak katalizörlü ve katalizörsüz ortamda piroliz deneyleri gerçekleştirilmiştir.  Fenolik bileşenler, biyokütlenin yapısındaki ligninin pirolizi ile elde edilmektedir ve biyokütleye uygulanan ön işlemlerin amacı biyokütlenin içerdiği lignin oranının artırılmasıdır.  En yüksek lignin oranı asidik ön işlem uygulamalarında 1M derişiminde asit kullanıldığında; hidrotermal ön işlem uygulamalarında ise 190 °C, 1/5 katı/su oranı, 5 dk ve 5 bar koşullarında elde edilmiştir.  Biyokütle örneklerinin ısıl bozunma davranışı ve kinetiğinin bilinmesi piroliz reaktörü tasarımı için oldukça önemlidir.  Biyokütlelere uygulanan iki farklı ön işlemin kinetik parametreler üzerine etkisi KAS, OFW ve CR metotları kullanılarak incelenmiştir.  Biyokütleye uygulanan ön işlemler piroliz süreci sırasında gerçekleşen seri ve paralel reaksiyon hızlarını etkilemiş ve hesaplanan aktivasyon enerjisi değerleri de buna bağlı olarak değişmiştir.   Üçüncü bölümde ise, ticari olarak temin edilen ZSM-5 katalizöre bor yüklemesi yapılarak, etkin gözenek çapı ayarlanmış ve biyokütlenin pirolizi ile fenolik hidrokarbonların üretiminde katalizör seçiciliği artırılmıştır.  Piroliz sıvı ürününün içerisinden fenolik hidrokarbonların saflaştırılmasının ek maliyetler ve enerji gerektirdiği göz önünde bulundurulduğunda, biyokütleye basit ön işlemler uygulanması ve katalitik pirolizi ile fenolik hidrokarbonlarca daha zengin sıvı ürün elde edildiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, production of phenolic-rich hydrocarbons from biomass via catalytic pyrolysis was aimed.  Fir sawdust, pine sawdust and nutshell were selected as raw biomass sample.  In the first part of the study, biomass samples were applied to acidic and hydrothermal pretreatment.  In the second part, thermal degradation kinetics of the biomass samples was examined. In the third part, non-catalytic and catalytic pyrolysis experiments were carried out by using Py-GC/MS system.  Phenolic compounds are obtained by pyrolysis of the lignin, and acidic and hydrothermal pretreatment are applied to biomass to increase the lignin content of the biomass used.  Highest lignin content was obtained by applying 1M acid pre-treatment; in hydrothermal pre-treatment applications,  190 °C, 1/5 biomass/water ratio, 5 min and 5 bar conditions.  Knowing thermal degradation behaviour and kinetic parameters of pyrolysis process are very important for reactor design.  The effect of the two different pre-treatments on the kinetic parameters applied to biomass was investigated using KAS, OFW and CR methods.  The pre-treatments affected the serial and parallel reaction rates during the pyrolysis process and the calculated activation energy values changed accordingly.  In the third part, commercially available ZSM-5 was impregnated with boron to arrange effective pore diameter and the selectivity of phenolic hydrocarbons from pyrolysis of biomass was increased.  Considering that the purification of phenolic hydrocarbons from the pyrolysis liquid product requires additional costs and energy, it is determined that applying simple pre-treatments to biomass and catalytic pyrolysis could be used to obtain richer phenolic hydrocarbons.