BİYOYAKIT SAFLAŞTIRILMASINDA ÇEVRE DOSTU MEMBRAN PROSESİNİN UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 BİYOYAKIT SAFLAŞTIRILMASINDA ÇEVRE DOSTU MEMBRAN PROSESİNİN UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI Filiz Uğur, Nilüfer Durmaz Hilmioğlu, Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü 41040, Kocaeli ÖZET Enerji kaynaklarının tüketilmesi, enerji kaynaklarının çoğunun yenilenemeyen kaynaklara dayanması, dünya ikliminin değişmesi, yağ bazlı yakıtların çevreye ve atmosfere verdiği gazlar dolayısıyla oluşan kirlilikler, insanoğlunu yeni kaynaklar bulmaya zorlamıştır. Yakıt etanol, kullanımı kolay ve çevre için sorun teşkil etmediğinden günümüzde en önemli yenilenebilir yakıt kaynağıdır. Ancak yakıt için gerekli etanolü istenilen saflığa getirmede en büyük engel belli bir noktada azeotrop oluşturması ve bunun ayrılması için kullanılan proseslerin enerji tüketiminin çok fazla olmasıdır. Bu çalışmada enerji tüketimini minimum da tutacak olan pervaporasyon prosesini uygulayabilme koşulları incelenecektir. Anahtar Sözcükler: Biyoetanol, membran, pervaporasyon, 1.GİRİŞ Etanol (biyoetanol) yüksek oktanlı bir yakıttır ve petrolde bir oktan artırıcı olarak kullanılmıştır. Etanol ile benzin karıştırılarak emisyonu azaltmak ve tam bir yanma sağlamak mümkündür. Yaygın olarak kullanılan karıştırma oranları % 10 etanol ve % 90 petroldür. Biyoetanol, çoğunlukla buğday, mısır, şekerkamışı, tarım atıkları, çotanak gibi biyokütlelerden oluşan bir yakıttır. Günümüzde atıkların %80 kadar bir kısmının organik biyokütlelerden oluştuğu bilinmektedir [1]. Bu biyokütleleri direk yakmak yerine etanole çevirerek yakmak, atmosfere CO salınımını azaltmaktadır. Yakıt etanol üretiminde kullanılan hammadde, iklim ve tarım koşullarına dolayısıyla ülkelere göre değişmektedir. Brezilya ve Hindistan da şeker kamışından, Fransa gibi bazı Avrupa ülkelerinde pancardan, US de ise mısır nişastasından elde edilmektedir. Yakıt etanol üretiminde en uygun maliyetli hammadde mısır ve buğdaydır. Böylece dünyanın farklı yerlerinde farklı tarım ürünlerinin üretilmesinde istihdam artışı olmaktadır [2]. Biyokütlelerden etanol üretim süreci kısaca şöyle belirtilmektedir [1]: Biyokütle Biyokütleyi Hammaddeye Dönüştürme Fermantasyon Etanol ve Yan Ürünler Şekil1.1 Biyokütleden Etanol Üretme İşlem Sırası 1

2 2.ETANOL KAZANIMI VE DEHİDRASYONU Etanol üretimini geliştirmeye yönelik araştırmalar şu iki alandadır : Devamlı fermantasyon sistemlerinin geliştirilmesi Etanol üretimi ve saflaştırılmasındaki enerji tüketiminin azaltılması Fermantasyon sürecinin ardından, sulu ürün kütlece % 5-12 civarı etanol içerir. Etanolü bu ürünlerden ayırmak enerji gerektirir ve bu enerji tüm proses boyunca gerekli enerjinin büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Bu nedenle sistemdeki asıl problem aslında etanolün dehidrasyonudur. Etanol ve su, etanol kütlece %95.6 noktasına ulaştığında azeotrop bileşik oluşturmaktadır. Bu çözeltiyi, kimya endüstrisinde çok kullanılan yöntem olan distilasyonun tek kolon figürasyonuyla ayırmak olanaksızdır. Çözelti etanolce % 92.4 civarına gelindiğinde azeotrop a yaklaşılmış olduğu düşünülerek, bu noktaya kadar olan kısım ve bundan sonrası için ayrı ayrı çözüm teknikleri geliştirilmiştir. Bunlar: Normal Distilasyon : Çözeltinin etanol kütlesince %92.4 öncesi kısım için kullanılır, bu oran ancak vakumla istenilen düzeye çekilir. Pahalı bir uygulamadır. Azeotropik Distilasyon: Üçüncü bir çözücü eklenerek relatif ucuculuğun değiştirilerek etanol kazanımına dayanır, kısmen daha ucuzdur en az 2 kolon gerekir. Azeotrop sonrası kısım için uygulanır Ekstraktif Distilasyon: Yine üçüncü bir çözücü eklenerek uçuculuk arttırılması ilkesine dayanır. Azeotrop noktasından sonra kullanılır. Sıvı-Sıvı Ekstraksiyonu: Solventin fermentasyon işleminde eklendiği bir sistemdir. Fermnte işlemi sırasında etanol verimini arttırmaktadır. Adsorpsiyon: Sıvı ve gaz fazı olmak üzere iki şekilde yapılır, çözeltiye zeolit eklenir. Etanol saflığı yüksektir ancak zeolit yenileme maliyeti ve suyun da iyi adsorbe olması özelliğinden dolayı tercih edilmemektedir Membran Prosesleri (Pervaporasyon): son yıllarda en çok kullanılan yöntemdir. Distilasyon sistemiyle hibrit bir proses oluşturarak yüksek etanol dönüşümünü, düşük enerji tüketimiyle sağlar [3]. 3.PERVAPORASYON Pervaporasyon, organik karışımları ayırmada, organik maddeleri sudan ayırmada, organik bileşiklerin dehidrasyonunda oldukça önemli yer tutan bir membranlı ayırma sistemidir. Pervaporasyonu diğer membran uygulamalarından ayıran en önemli özellik ayırma süresince membran boyunca faz değişimidir. Sıvı halde bulunan besleme membranın diğer tarafına buhar olarak geçer. İtici güç, membran taraflar arasındaki konsantrasyon farkıdır. Pervaporasyon işlemlerinin seçilme nedenleri; maddede yüksek seçicilik sağlayabilme, düşük enerji tüketimi, distilasyon gibi işlemlerde yüksek sıcaklıklardan dolayı 2

3 bozunumun optimum şartlar sağlanan pervaporasyonda olmaması ve bunların hepsine bağlı olarak da maliyetinin az olmasıdır. Gereken enerji azdır ve bu sıvıyı buhara çevirmek için kullanılır, ek kimyasal malzemeye veya cihaza ihtiyaç yoktur, ayrılan çözeltinin yoğunlaştırılması için sadece su gerekirken vakum pompalarının ihtiyacı sadece gaz kaçaklarının engellenmesidir [4,5]. Tablo 3.1 de Biyoetanol saflaştırılmasında kullanılan farklı prosesler arası dönüşüm ve enerji tüketimi verilmiştir [6]. Tablo 3.1 Prosesler Arası Enerji Tüketimi Saflaştırma (%) Enerji ihtiyacı Proses (kj/kg EtOH) Distilasyon Azeotropik distilasyon Pervaporasyon Tablo 3.2 de ise maliyetin daha açık görülmesi için izopropanol/su çözeltisinin ayrıldığı bir çalışmadan örnek alınana veriler bulunmaktadır [7]. Tablo 3.2 Prosesler Arası Maliyet Analizi Maliyet ( /ton ürün) Distilasyon+Pervaporasyon Azeotropik Distilasyon İşletme Yatırım Bakım Onarım Toplam Pervaporasyonun çalışma mekanizması sorpsiyon modeline bağlıdır, buna göre; kütle transferi membranda üç aşamada olur; besleme yüzey kısmındaki sorpsiyon, kimyasal potansiyel gredyantiyle oluşan membran içindeki difüzyon, membrandan permeate tarafına desorpsiyon. Sorpsiyon testlerinde şişme dereceleri sorpsiyon davranışlarını karekterize etmek için kullanılır [8]. 4.DENEYSEL ÇALIŞMA 4.1 Katkısız Membran Hazırlama Polimer olarak seçilen CA ( selüloz asetat), seçilen aseton çözeltisinde, oda sıcaklığında 24 saat süre ile karıştırılır. 1 gün dinlendirilip döküm işlemi yapılarak membran 2 gün boyunca oda sıcaklığında ve üzeri kapalı kurumaya bırakılır. 4.2 Katkılı Membran Hazırlama Polimerik membranın şeçiciliğini arttırmak için seçilen 4A zeoliti, katkısız membran hazırlama yönteminde yapılan ham membrana karıştırma süreci sonunda eklenir ve 5 saat karıiştırılır. Kuruma işlemleri aynı sıcaklık ve sürede devam eder. En uygun membran belirlemek için zeolitler farklı oranlarda ve nano boyutlara getirilerek farklı membranlar hazırlanır. 3

4 4.3 Sorpsiyon Deneyleri Hazırlanan tüm membranlar, farklı oranlarda karıştırılan etanol- su çözeltisinde belirli sürelerde bekletilir ve hidrofilik membranların şişme dereceleri belirlenir. Bunun için başta ve süreler sonunda membranlar kurutulup tartılır. Şişme prensibi şu formüle göre hesaplanmıştır: α=(w denge -W ilk )/W ilk *100 W = membran kütlesi α=şişme yüzdesi 4.4 Deney Sonuçları Grafikte de açıkça görüldüğü gibi membrandaki zeolit miktarı arttıkça şişme derecesi artmıştır. Aynı şekilde çözeltideki su oranı arttıkça da şişmenin arttığı görülmektedir. Kullanılan zeolit ve polimerin hidrofilik özellikte olması nedeniyle zamanla membranda su emiliminin artması beklenen bir sonuçtur. Birbirlerine yakın oranda eklenen zeolitler çok yakın sonuçlar verirken, zeolit miktarının çok fazla artması da şişmeyi paralel etkilemiştir. şişme derecesi %su saf CA %0.33 4A %0.66 4A % 1 4A %10 4A Grafik Farklı Oranlarda Zeolitlerin Şişmeye Etkisi Grafik de ise aynı kütlelerde ancak biri nano boyutta kullanılan zeolitlerin şişme üzerine etkisi görülmektedir. Görüldüğü üzere nano boyutta kullanılan zeolit %100 daha fazla bir emilim sağlamıştır %şişme %su gr normal zeolit gr nano boyut zeolit Grafik Farklı Boyutlarda Zeolitlerin Şişmeye Etkisi 4

5 5. SONUÇLAR Biyoetanol üretim ve kullanımı konusunda son yıllarda çok önemli atılımlar yapılmaktadır. Ülkeler uzun vadeli hedefler belirleyip, bunları gerçekleştirmek için çalışmalarına hız katmış durumdadırlar. Ekonomisi, tarım ve sanayide yeni istihdamlar yaratması ve özellikle tüm insanlığın sorunu olan zararlı gaz salınımını azaltması biyoyakıt kullanımını cazip hale getirmiştir. Üretimin diğer bir amacı ise mevcut enerji kaynaklarının yakında yetmeyecek olması öngörüsüdür. Biyoetanol her şeyden önce üretimi basit büyük bir enerji kaynağıdır. Ancak üretirken, üretim proseslerinin enerjiyi fazla tüketmesi, üretim amacıyla ters düşmektedir. Bu nedenle asıl amaç üretiminde minimum enerjiyle gerçekleşmesidir. Bu çalışmada görülmüştür ki, diğer yöntemlere oranla pervaporasyon, enerjiyi minimum düzeyde kullanmaktadır. Bu da maliyetin düşmesini sağlamaktadır. Pervaporasyonun da etkili bir şekilde yapılması ve performansının artması için de membranın dolayısıyla sorpsiyon mekanizmasının optimum şartları belirlenmesi gerekmektedir. Yapılan çalışmada ise sorpsiyon deneyleri sonucunda, hidrofilik yapısından dolayı hazırlanan membranın, bu tür bir pervaporasyon prosesi için uygun bir seçim olduğu anlaşılmaktadır. Yakın gelecekte, hedefler doğrultusunda, dünyanın birçok ülkesi etanol üretimine gerekli özeni gösterecek ve yeni etanol üretim tesisleri kurulacaktır. Araştırmalar doğrultusunda artık hangi sistemin daha ekonomik olduğu açıkça görülmektedir. Pervaporasyonlu hibrid prosesler ekonomi ve etkinlik açısından en uygun ünitelerdir. 6.KAYNAKLAR 1. Ertaş, M., Fidan, S., Alma, M.H., Alternatif Enerji Kaynağı Biyoetanolün Üretimi ve Önemi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü, K.Maraş 2. Cardona Alzate, C.A., Sanchez Toro, O.J., Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass, Energy 31 (2006) , Huang, H.J., Ramaswamy, S., Tschirner, U.W., Ramarao, B.V., A review of separation technologies in current and future biorefineries, Separation and Purification Technology 62 (2008) Huang, Z., Guan, H., Tan, W., Yi Qiao, X., Kulprathipanja, S., Pervaporation study of aqueous ethanol solution through zeolite-incorporated multilayer poly(vinyl alcohol) membranes: Effect of zeolites, Journal of Membrane Science 276 (2006) , Okumus, E., Development of Pan Based Composite Membranes For Pervaporation, D. Thesis, Middle East Technical Univercity, Durmaz Hilmioğlu, N., Yakıt Etanolün Membran Prosesi İle Saflaştırılması, II. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, , İzmir, Ekim Hoof, V.H., Abeele, L.V., Boukenhoudt, A., Dotremont, C., Leysen, R., Economic Corparation Between Azeotropic Distillation and Different Hybrid Systems Combining Distillation with Pervaporation fort he Dehydration of İsoprapanol, Seperation and Purfication Technology 37, 33-49, Xiao, S., Feng, X., Huang, R., Investigation of sorption properties and pervaporation behaviors under different operating conditions for trimesoyl chloride-crosslinked PVA membranes, Journal of Membrane Science, Volume 302, Issues 1-2, 15 September 2007, Pages