Biyokütlenin bor katalizörleri varlığında hidrotermal dönüşümü
Hydrothermal conversion of biomass in the presence of boron catalysts
Yazar: KUBİLAY TEKİN
Danışman: PROF. DR. SEMA BEKTAŞ ; DOÇ. DR. SELHAN KARAGÖZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Bor = Boron ; Enerji = Energy ; Hidrotermal = Hydrothermal

Özet:
Biyokütlenin hidrotermal yöntemle sıvı yakıtlara ve/veya değerli kimyasallara dönüşümü önemli bir termokimyasal işlemdir. Bu işlemin yüksek nem içeriğine sahip biyokütlelere uygulanabilmesi, atık maddelerin tekrar işlenebilmesi, piroliz gibi işlemlerden daha düşük enerji kullanımı ve yüksek enerji verimliliği gibi üstünlükleri vardır. Biyokütlenin hidrotermal dönüşümü son yılların kapsamlı araştırma konusu olmuştur. Özellikle hidrotermal işlemde katalizör kullanımı ile ilgili araştırmalar sürekli artış göstermektedir. Bu çalışmada, odunsu biyokütlenin (sarıçam ve doğu kayını) hidrotermal dönüşümünde kolemanit (CaB3O4(OH)3?H2O), sodyum perborat monohidrat (NaBO3.H2O), disodyum oktaborat tetrahidrat (Na2B8O13.4H2O) ve borik asit (H3BO3) katalizör olarak kullanılmıştır. Deneyler kritik altı su koşullarında 250, 300 ve 350°C ve bu sıcaklıklarda oluşan basınçlarda (4,0, 8,5, 16,5 MPa) gerçekleştirilmiştir. Bor bileşiklerinin katalitik performanslarının karşılaştırılması ve değerlendirilmesi için deneyler aynı koşullarda katalizörsüz olarak da gerçekleştirilmiş, katalizörlerin ürün dağılımına ve biyo-yağ bileşimine etkisi incelenmiştir. Hidrotermal işlem sonucu elde edilen biyo-yağlar gaz kromatografisi-kütle spektrometresi (GC-MS) ile analiz edilmiştir. Katalizörlerin karakterizasyonu Brunauer-Emmett-Teller (BET) yüzey alanı ve X-ışını kırınımı (XRD) analizleri yapılarak gerçekleştirilmiştir. Biyo-yağ verimi açısından yüksek katalitik aktivite gösteren kolemanitin kullanılmasıyla elde edilen biyo-yağların ayrıca Fourier dönüşümlü infrared (FTIR) ve nükleer manyetik rezonans (NMR) analizleri gerçekleştirilmiştir. Kolemanit katalizörü varlığında 300°C'de elde edilen biyo-çarların yüzey morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir.

Abstract:
The conversion of biomass into liquid fuels and/or valuable products via hydrothermal processing is an important thermochemical process. The advantages of this process are its applicability for high-moisture-content bio-mass, ability to co-process the biomass with waste materials, use of lower temperatures than processes such as pyrolysis, and high energy efficiency. Hydrothermal conversion of biomass has been the objective of extensive research in recent years. Especially, there has been a continuing increase in the number of researches concerning the use of catalysts in the hydrothermal processing of biomass. In this study, we report the results of the conversion of woody biomass (Scotch pine and Oriental beech) using colemanite (CaB3O4(OH)3?H2O), sodium perborate monohydrate (NaBO3.H2O), disodium octaborate tetrahydrate (Na2B8O13.4H2O) and boric acid (H3BO3) as catalysts. The experiments were carried out under sub-critical water conditions at 250, 300, and 350°C and the corresponding pressures of these temperatures (4.0, 8.5, 16.5 MPa). To compare and evaluate the catalytic performance of the boron compounds, the experiments were also performed under identical conditions without any catalysts. The effect of catalysts on the product distributions and bio-oil compositions were investigated. The bio-oils obtained by hydrothermal process were analyzed by a gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS). Characterization of the catalysts were done by Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area and X-ray diffraction (XRD) analysis. Fourier transform infrared (FTIR) and nuclear magnetic resonance (NMR) analysis of the bio-oils obtained using colemanite, which showed a high catalytic activity in terms of bio-oil yield, were also carried out. The bio-chars obtained at 300°C with colemanite were characterized by scanning electron microscopy (SEM).