Polimer esaslı endüstriyel katı atıkların volfram trioksitin indirgenmesinde değerlendirilmesi
Evaluation of polymer based industrial solid waste in reduction of tungsten trioxide
Yazar: GÖKTUĞ TÖRE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MELEK CUMBUL ALTAY ; PROF. DR. ŞERAFETTİN EROĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Katı atıklar = Solid wastes ; Piroliz = Pyrolysis ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis ; Tungsten = Tungsten

Özet:
Atık önleme, yeniden kullanım, geri dönüşüm ve geri kazanım (malzeme ve enerji) toplumun kaynaklarından maksimum değer almasını ve tüketimi ihtiyaçlara göre uyarlamasını mümkün kılmaktadır. Bu şekilde birincil kaynaklara yönelik talep optimize edilmiş olur ve bununla bağlantılı olarak çevreye etki ve enerji kullanımı hafifletilmiş olur. Bu tez çalışmasında iki farklı fakat tamamlayıcı yaklaşımı birleştirip; atıkların pirolizi ve atıklardan elde edilen pirolitik gaz ile volfram trioksitin indirgenmesi gerçekleştirilmiştir. 
Tez çalışmasında polimer esaslı endüstriyel katı atıklardan (lastik, EVA, PC, PE) oksijensiz ortamda ısı ile bozundurularak elde edilen CxHy ve H2 içerikli yüksek indirgeyici özellikteki pirolitik gaz ile volfram trioksit tozunun (WO3) indirgeme işlemi gerçekleştirilmiştir. İndirgeme çalışmaları 1300 K sıcaklığa çıkabilen çift ısıtma bölgesine sahip ayarlanabilir split fırında gerçekleştirilmiştir. Metal oksitin metale indirgenebilirliği araştırılmış olup deneysel çalışmalarda kılavuzluk yapması açısından Gibbs Serbest Enerji minimizasyonu metodu kullanılarak W-O-C-H-Ar ve W-O-C-H-Ar-S-Zn sistemlerinde termodinamik analiz gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar doğrultusunda WO3'ten hareketle W ürünü elde edilebileceği sonucuna varılmıştır. Piroliz işlemi sonucunda üretilecek pirolitik gazın CH4 ve H2 içeriklerini ve optimum piroliz koşullarının belirlenebilmesi açısından polimer esaslı endüstriyel katı atıklara FTIR, TGA, elemental analiz, kalorifik değer analizi, nem, kül, uçucu madde ve serbest karbon analizleri gerçekleştirilmiştir. Dönüşüm yüzdelerine, piroliz ve indirgeme parametrelerine bağlı olarak yaklaşık olarak oksitin metale dönüşümün tamamlandığı optimum koşullar tespit edilmiştir. İndirgeme çalışmaları sonucunda elde edilen ürünlerin ise XRD ve SEM analizleriyle ağırlık dönüşüm oranları teyit edilmiştir. 
WO3 – PC sisteminde iki seri deneysel çalışmalara gerçekleştirilmiş olup 1100 K ve 1300 K reaksiyon sıcaklıklarında çalışılmıştır. 1100 K sıcaklıkta gerçekleştirilen deneylerde ağırlık değişim oranı yaklaşık Atık önleme, yeniden kullanım, geri dönüşüm ve geri kazanım (malzeme ve enerji) toplumun kaynaklarından maksimum değer almasını ve tüketimi ihtiyaçlara göre uyarlamasını mümkün kılmaktadır. Bu şekilde birincil kaynaklara yönelik talep optimize edilmiş olur ve bununla bağlantılı olarak çevreye etki ve enerji kullanımı hafifletilmiş olur. Bu tez çalışmasında iki farklı fakat tamamlayıcı yaklaşımı birleştirip; atıkların pirolizi ve atıklardan elde edilen pirolitik gaz ile volfram trioksitin indirgenmesi gerçekleştirilmiştir. 
Tez çalışmasında polimer esaslı endüstriyel katı atıklardan (lastik, EVA, PC, PE) oksijensiz ortamda ısı ile bozundurularak elde edilen CxHy ve H2 içerikli yüksek indirgeyici özellikteki pirolitik gaz ile volfram trioksit tozunun (WO3) indirgeme işlemi gerçekleştirilmiştir. İndirgeme çalışmaları 1300 K sıcaklığa çıkabilen çift ısıtma bölgesine sahip ayarlanabilir split fırında gerçekleştirilmiştir. Metal oksitin metale indirgenebilirliği araştırılmış olup deneysel çalışmalarda kılavuzluk yapması açısından Gibbs Serbest Enerji minimizasyonu metodu kullanılarak W-O-C-H-Ar ve W-O-C-H-Ar-S-Zn sistemlerinde termodinamik analiz gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar doğrultusunda WO3'ten hareketle W ürünü elde edilebileceği sonucuna varılmıştır. Piroliz işlemi sonucunda üretilecek pirolitik gazın CH4 ve H2 içeriklerini ve optimum piroliz koşullarının belirlenebilmesi açısından polimer esaslı endüstriyel katı atıklara FTIR, TGA, elemental analiz, kalorifik değer analizi, nem, kül, uçucu madde ve serbest karbon analizleri gerçekleştirilmiştir. Dönüşüm yüzdelerine, piroliz ve indirgeme parametrelerine bağlı olarak yaklaşık olarak oksitin metale dönüşümün tamamlandığı optimum koşullar tespit edilmiştir. İndirgeme çalışmaları sonucunda elde edilen ürünlerin ise XRD ve SEM analizleriyle ağırlık dönüşüm oranları teyit edilmiştir. 
WO3 – PC sisteminde iki seri deneysel çalışmalara gerçekleştirilmiş olup 1100 K ve 1300 K reaksiyon sıcaklıklarında çalışılmıştır. 1100 K sıcaklıkta gerçekleştirilen deneylerde ağırlık değişim oranı yaklaşık %92, 1300 K sıcaklıkta gerçekleştirilen deneylerde ise ağırlık değişim oranı %77,6 olduğu ve ~4 m tane boyutuna sahip W sentezlendiği XRD ve SEM analizleri ile teyit edilmiştir. WO3 – PE sisteminde ise 1300 K reaksiyon sıcaklığında sonucunda minimum %77,4 ağırlık değişim oranı sonucuna varılmış ve ~4 m tane boyutuna sahip W elde edilmiştir. WO3 – EVA sisteminde 1300 K reaksiyon sıcaklığında ~%82 ağırlık değişimi sonucunda ~1,60 m tane boyutuna sahip W elde edilmiştir. WO3 – Lastik sisteminde ise 1300 K reaksiyon sıcaklığında minimum ~%85 ağırlık değişimi neticesinde 0,65 m tane boyutuna sahip ince taneli W elde edilmiştir.

Abstract:
Waste prevention, reuse, recycling and recovery (materials and energy) enable society to get the maximum value from its resources and adapt consumption according to needs. In this way, the demand for primary resources is optimized and the associated environmental impact and energy use are reduced. In this thesis, two different but complementary approaches are combined; the pyrolysis of the wastes and the reduction of tungsten trioxide with the pyrolytic gas obtained from the wastes were carried out.
In the thesis study, the reduction process of tungsten trioxide powder (WO3) with high reducing pyrolytic gas containing CxHy and H2, obtained by heat decomposition from polymer-based industrial solid wastes (tires, EVA, PC, PE) in an oxygen-free environment. Reduction studies were carried out in an adjustable split furnace with a double heating zone that could reach 1300 K temperature. The reducibility of metal oxide to metal was investigated and thermodynamic analysis was carried out in W-O-C-H-Ar and W-O-C-H-Ar-S-Zn systems using Gibbs' Free Energy minimization method to guide experimental studies. Based on the calculations, it was concluded that W product can be obtained from WO3. FTIR, TGA, elemental analysis, calorific value analysis, moisture, ash, volatile matter, and free carbon analyses were performed on polymer-based industrial solid wastes in order to determine the CxHy and H2 contents of the pyrolysis gas to be produced as a result of the pyrolysis process and the optimum pyrolysis conditions. Depending on the conversion percentages, pyrolysis and reduction parameters, the optimum conditions at which the conversion was completed were determined. The weight conversion ratios of the products obtained as a result of the reduction studies were confirmed by XRD and SEM analysis.
Two series of experimental studies were carried out in the WO3 – PC system and were studied at reaction temperatures of 1100 K and 1300 K. XRD and SEM analyses confirmed that the weight change rate was approximately 92% in the experiments carried out at 1100 K, and 77.6% in the experiments carried out at 1300 K, and that W was synthesized with ~4 m grain size. WO3 – PE system, on the other hand, at the reaction temperature of 1300 K, as a result of, a minimum weight change rate of 77.4% was obtained and W with a grain size of ~4 m was obtained. WO3 – EVA system, W with ~1,60 m grain size was obtained as a result of ~82% weight change at 1300 K reaction temperature. WO3 – Tire system, fine grained W with 0.65 m grain size was obtained as a result of a minimum ~85% weight change at 1300 K reaction temperature.