Lignoselülozik biyokütlenin ısıl dönüşümüne hidrotermal ön işlemin etkilerinin incelemesi

Abstract

ÖZETLignoselülozik Biyokütlenin Isıl Dönüşümüne Hidrotermal Ön İşlemin Etkilerinin İncelemesi EMİNE GÖZDE VURAL Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Eskişehir Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mart 2019 Danışman: Doç. Dr. Esin VarolBiyokütlenin değerli materyallere dönüşümü, yenilenebilir ve sürdürülebilir çevre için önemli rol oynamaktadır. Lignoselülozik biyokütlenin kullanılabilir enerji, yakıtlar ve değerli kimyasallara dönüştürülmesi, ekonominin devamlılığı için toplumu teşvik eden yöntemlerdendir.Biyokütle dönüştürme teknolojileri; fiziksel, termokimyasal ve biyolojik olarak sınıflandırılmakta olup, bunların arasında en çok kullanılan yöntem termokimyasal dönüşüm teknolojileridir. Bu çalışmada termokimyasal dönüşüm süreçlerinden biri olan piroliz işlemi uygulanmıştır. Piroliz öncesinde biyokütleye uygulanacak ön işlemler elde edilen ürünün yapısını ve kimyasal birleşimini değiştirmektedir. Basınç ve sıcaklıka uygulanan hidrotermal ön işlem, biyokütle bileşenlerinin yapısının bozundurularak ısıl dönüşüme elverişli hale getirilmesini sağlamaktadır. Bu nedenle, özellikle değerli kimyasalların eldesi amaçlandığında, piroliz öncesi uygulanabilecek uygun yöntemlerden biridir.Bu çalışmada, hammadde olarak seçilen pirinç kabuğu ve pirinaya % 0,5, % 1,0 ve % 1,5 oranlarında sülfirik asit eklemesi ile 180oC'de hidrotermal ön işlem uygulanmıştır. İkinci aşamada ise, ön işlem uygulanan ve uygulanmayan biyokütle örneklerinin sabit yataklı piroliz reaktöründe 500oC'de pirolizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen katı ve sıvı ürünlerin karakterizasyonları, gerçek ve yığın yoğunluk, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon izotermi (BET yüzey alanı), Taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), Gaz kromotografisi-kütle spektroskopisi (GC-MS), ile yapılmıştır. Hidrotermal ön işlem sonrası pirinanın içerdiği külün yaklaşık % 90'ı giderilmiştir. Piroliz sonrasında % 32,1'lik sıvı ürün verimi ile pirina dikkat çekerken, katı üründe ise pirinç kabuğu % 29,6'lık verimle öne çıkmıştır. En yüksek yüzey alanına (284,76 m2/g) ise, %1,5 oranında asit ile ön işlem uygulanmış pirinç kabuğundan elde edilen katı ürün ile ulaşılmıştır. Çalışmanın son kısmında, pirinç kabuğu katı ürünleri kullanılarak sabit yataklı kolon adsorpsiyonu deneyleri yapılmıştır. Bohart- Adams, Thomas ve Yoon-Nelson modelleri ile adsorpsiyon süreci uygulanmıştır.Anahtar Kelimeler: Biyokütle, Hidrotermal ön işlem, Piroliz, Gözenekli karbon malzeme, Adsorpsiyon

ABSTRACTThe Effect of Hydrothermal Pretreatment on the Thermal Decomposition of Lignocellulosic Biomass EMİNE GÖZDE VURALProgramme in Chemical Engineering Eskisehir Technical University, Graduate School of Sciences, March 2019Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Esin Apaydın Varol The conversion of biomass into valuable materials plays an important role for the renewable and sustainable environment. Converting lignocellulosic biomass into usable energy and chemicals is one way of promoting society to achieve a sustainable economy. Biomass conversion technologies can be listed as physical, thermochemical and biological, and among them the most widely used method is thermochemical conversion technologies. In this study, pyrolysis process which is one of the thermochemical conversion processes is applied. Biomass pretreatment prior to pyrolysis change the structure and chemical composition of the obtained product. The hydrothermal pretreatment applied at high pressure and temperature allows the structure of the biomass components to be decomposed and is an effective way to convert raw material into valuable products. Therefore, it is one of the suitable methods that can be applied before pyrolysis, specifically when it is aimed to produce valuable chemicals.In this study, hydrothermal pretreatment was applied at 180 oC by adding 0.5%, 1.0% and 1.5% sulfuric acid to rice husk and olive pomace samples. In the second step, the pyrolysis of the raw and pretreated biomass samples was carried out at 500 oC in the fixed bed pyrolysis reactor. Then, the solid and liquid products were characterized by real and bulk density, N2 adsorption-desorption isoterms (BET surface area), Scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), Gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS).After the hydrothermal pretreatment, the ash content of the olive pomace reduced by 90 %. The highest bio-oil yield was obtained as 32.1 % from olive pomace, whereas rice husk gave the highest solid product (char) yield as 29.6 %. The highest surface area of 284,76 m2/g was obtained from the 1.5 % asit pretreated char sample. In the last part of the study, fixed bed column adsorption experiments were performed using rice husk based solid product. The data were applied to Thomas, Bohart- Adams and Yoon-Nelson models.Keywords: Biomass, Hydrothermal pretreatment, Pyrolysis, Porous carbonaceous materials, Adsorption