SUSAM SAPININ KATALİZÖRLÜ PİROLİZİ

Transkript

1 SUSAM SAPININ KATALİZÖRLÜ PİROLİZİ Funda ATEŞ, Ersan PÜTÜN, Başak B. UZUN, Esin APAYDIN, Ayşe E. PÜTÜN Anadolu Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Kimya Müh. Bölümü, Eskişehir ÖZET Bu çalışmada biyokütle adayı susam sapı hammadde olarak seçilmiş ve sabit yataklı bir Heinze reaktöründe değişik koşullarda pirolizi gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda, DHC-32 ticari katalizörü kullanılmıştır. Tüm deneyler 7ºC/dak lık ısıtma hızı ve ortalama partikül boyutunda gerçekleştirilmiştir. Piroliz deneyleri 500 ve 750ºC piroliz sıcaklıklarında, hammadde ağırlığının %5, 10 ve 20 si kadar katalizör eklenerek yürütülmüş ve piroliz sıcaklığı ile katalizör yüzdesinin piroliz ürün verimlerine olan etkisi araştırılmıştır. Ayrıca sıvı ürün spektroskopik ve kromatografik yöntemlerle incelenmiş, sentetik yakıt ve kimyasal hammadde kaynağı olarak değerlendirilebilirliği araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Biyokütle; Katalizör; Piroliz; Sıvı ürün; Susam sapı. 1. GİRİŞ Yaşam standardının yükselmesi ve gelişen teknolojinin insanlara sunduğu imkanlar her geçen gün daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulmasına sebep olmaktadır. Bununla birlikte enerji üretiminde yer altı kaynaklarının yetersiz kalması ve bu kaynakların çevreye verdiği zararlar kaçınılmaz olarak insanlığı alternatif enerji arayışına itmiştir. Fosil yakıtlardan elde edilen enerji, üretim sürecinden tüketim sürecine kadar büyük çevresel sorunlar yaratır. Enerji üretim sürecinde doğal kaynaklar tahrip edilir, enerji üretim alanlarındaki toplumsal yaşantıları ve sağlıkları derinden etkilenir. Tüketim sürecinde ise fosil yakıtların yanması sonucu ortaya çıkan karbondioksit, kükürtdioksit gibi gazlar hava kirliliğine, asit yağmurlarına neden olmaktadır. Ayrıca bu gazlar sera etkisi yaratarak küresel iklim değişikliklerine yol açarlar [1]. Dünyanın giderek artan nüfusu ve sanayileşmesi sonucu fazlalaşan enerji gereksinimini çevreyi kirletmeden ve sürdürülebilir biçimde sağlayan en önemli kaynaklardan birisi de biyokütledir [2]. Biyokütle, tükenmez bir kaynak olması, her yerde yetiştirilebilmesi, özellikle kırsal alanlar için sosyo-ekonomik gelişmelere yardımcı olması nedeniyle uygun ve önemli bir enerji kaynağı olarak görülmektedir. Petrol, kömür, doğal gaz gibi tükenmekte olan enerji kaynaklarının kısıtlı olması, ayrıca bunların çevre kirliliği oluşturması nedeni ile biyokütle kullanımı enerji sorununu çözmek için giderek önem kazanmaktadır [3]. Biyokütleden enerji üretmede termokimyasal yöntemlerden birisi olan piroliz yöntemiyle, taşınması ve kullanımındaki kolaylıklar nedeniyle değerli bir yakıt olan petrolün yerini alabilecek sıvı hidrokarbonlar üretilmektedir. Piroliz yöntemiyle elde edilen sıvı ürünlerin taşınma, depolanma ve yakılmalarının kolay olmaları ve bu ürünlerin pek çok ikincil sentezlerde de kullanılabilir olmaları pirolizin önemini daha da arttırmaktadır [4, 5]. Yapılan deneysel çalışmalarda biyokütle kaynağı olarak Adana dan temin edilen susam bitkisinin hiçbir endüstriyel değeri olmayan sapları kullanılmıştır. Susam; susamgiller

2 familyasından, sıcak bölgelerde yetişen bir yıllık, yağ veren otsu bir bitkidir. Dünya bitkisel yağ üretiminde önemli bir yer tutan susam, üretimin yoğun olarak yapıldığı Asya ülkelerinde (Hindistan, Çin, Afganistan, Pakistan, Bangladeş, Endonezya ve Srilanka) geniş oranda bitkisel yağ (%77.6) üretiminde değerlendirilmekte, diğer kısmı ise pastacılıkta (%20.1) ve tohumluk olarak (%2.3) tüketilmektedir. Ülkemizde daha çok Ege ve Akdeniz bölgelerinde yetiştirilmektedir [6]. Yazlık bir yağ bitkisi olan susam, tohumlarında %50-60 oranında yağ içerir. Yağın kalitesi yüksek (%47 oleik asit ve %39 linoleik asit içermektedir) ve stabildir [7]. Yine çalışmalarda katalizör olarak ise DHC-32 ticari katalizör kullanılmıştır. 2. DENEYSEL Deneylerde kullanılan susam saplarının öncelikle kısa analizi yapılarak nem, kül, uçucu madde, sabit karbon miktarları tayin edilmiş ve ham selüloz miktarı belirlenmiştir. Ayrıca hammaddenin elementel analizi yapılarak özellikleri belirlenmiştir. DHC-32 ticari katalizörü ise TÜPRAŞ İzmit rafinerisinden sağlanmış olup, deneylerde kullanılmadan önce aktive edilmiş ve desikatörde bekletilmiştir. Piroliz çalışmaları 316 paslanmaz çelikten yapılmış 400 cm 3 hacmindeki retort ve bu retortu çevreleyen 2000 Watt gücünde rezistanslı ve izolasyonu gerçekleştirilmiş bir fırında yapılmıştır. Konik ağızlı retort çıkış borusu sıvı ürünün burada yoğuşmasını önlemek amacıyla 600 Watt lık bir ısıtıcıyla çevrelenmiştir. Konik ağıza teflon bant sarılarak katranın toplandığı toplama şişelerine sızdırmaz bir bağlantı sağlanmıştır. Piroliz deneylerinde kullanılan hammadde değirmende öğütülerek ortalama parçacık boyutuna indirilmiştir. Bu boyuttaki 10 g örneğe ağırlıkça % oranlarında katalizör eklenerek statik retorta yerleştirilmiştir. Piroliz düzeneğinin diğer birimleriyle gereken bağlantıları yapılmıştır. Daha sonra sisteme uygulanacak olan voltaj, sıcaklık ve ısıtma hızı ayar düğmelerinden ayarlanmıştır. Piroliz sıcaklığı istenilen değere geldikten sonra yaklaşık 30 dakika daha bu sıcaklıkta bekletilmiş ve gaz çıkışı kontrol edilerek deneye son verilmiştir. Piroliz işlemi sonunda sıvı toplama kaplarında birikmiş olan sıvı ürün (katran)-su karışımı diklorometan ile yıkanarak ayırma hunisine alınmış, su; sıvı üründen ayrılarak miktarı belirlenmiştir. Sıvı ürün ise susuz Na 2 SO 4 tan süzüldükten sonra döner buharlaştırıcıda çözücü uzaklaştırılıp miktarı belirlenmiştir. Retortta kalan katı ürün (char) tartılarak verimi hesaplanmıştır. Gaz ürün verimi ise toplam kütle denkliğinden bulunmuştur. Tüm deneyler ortalama parçacık boyutu ve sabit 7ºC/dak ısıtma hızı koşullarında, farklı katalizör yüzdeleri ve farklı piroliz sıcaklıklarında (500 ve 750ºC) gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda elde edilen sıvı ürünün elementel analizi yapılmış, IR spektrumu alınarak fonksiyonel grupları belirlenmiştir. Daha sonra sıvı ürün sütun kromatografisi yöntemi ile alifatik, aromatik ve polar fraksiyonlara ayrılmıştır. Bu amaçla mesh silikajel kullanılmış ve kromatografi esnasında kolondan çözücü olarak sırasıyla n-pentan, toluen ve metanol geçirilmiştir. Elde edilen n-pentan fraksiyonunun karbon dağılımını belirlemek amacı ile GC kromatogramı alınmıştır. 3. SONUÇLAR Hammaddenin nem, kül, uçucu madde, sabit karbon miktarları ile elementel analiz sonuçları sırasıyla Çizelge 1 ve Çizelge 2 de verilmiştir.

3 Çizelge 1. Susam Sapının Kısa Analizi Analiz % Ağırlık Nem 8,70 Kül 6,63 Uçucu madde 74,80 Sabit karbon 9,87 Ham Selüloz 48,00 Çizelge 2. Susam Sapının Elementel Analiz Sonuçları Bileşen %(kkb) C 52,43 H 6,09 N 0,62 O(farktan) 40,86 H/C 1,39 Ortalama partikül boyutundaki biyokütle örneği 7ºC/dak ısıtma hızında değişik katalizör yüzdeleri ve piroliz sıcaklıklarında statik ortamda pirolizlenmiştir. Hammaddenin değişik katalizör yüzdelerinde ve 500ºC piroliz sıcaklığındaki deney sonuçları Şekil 1 de, 750ºC piroliz sıcaklığındaki katalizörsüz ve %10 katalizörlü deney sonuçları ise Şekil 2 de verilmiştir. Hammaddenin katalitik pirolizinden elde edilen sıvı ürünün elementel analizi Çizelge 3 te, sıvı ürünün IR spektrumu Şekil 3 te, yine sıvı ürünün yapısındaki hidrokarbon dağılımını belirlemek amacı ile n-pentan alt fraksiyonuna uygulanan gaz kromatogramı ise Şekil 4 te verilmiştir. Verim (%) Katalizörsüz Katalizör oranı(wt%) Katı Sıvı Su Gaz Şekil 1. Statik Ortamda Susam Sapının 500ºC deki Katalizörsüz ve DHC-32 Katalizörlü Piroliz Sonuçları.

4 Verim(%) Katı Sıvı Su Gaz 0 Katalizörsüz 10 Katalizör oranı (wt%) Şekil 2. Statik Ortamda Susam Sapının 750ºC deki Katalizörsüz ve DHC-32 Katalizörlü Piroliz Sonuçları. Çizelge 3. Susam Sapının Katalitik Pirolizinden Elde Edilen Sıvı Ürünün Elementel Analizi Bileşen % C 67,82 H 8,6 N 1,1 O (farktan) 22,48 H/C 1,52 Şekil 3. Susam Sapının Katalitik Pirolizinden Elde Edilen Sıvı Ürünün IR Spektrumu.

5 Şekil 4. Susam Sapının Katalizörlü Elde Edilen Piroliz Sıvı Ürünün n-pentan Alt Fraksiyonunun Gaz Kromatogramı. Bu çalışmada susam bitkisinin hiçbir endüstriyel değeri olmayan sapları, biyokütle adayı olarak kullanılmıştır. Bu hammaddenin enerji üretiminde kullanılması için DHC-32 ticari katalizörü ile sabit yatak reaktörde; ortalama parçacık boyutunda, 7ºC/dak ısıtma hızında ve 500 ve 750ºC piroliz sıcaklıklarında katalitik pirolizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sıvı ürünler incelenmiş, sıvı yakıt olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Orta ve yüksek sıcaklıklarda yapılan deneylerde susam sapı biyokütle örneği için katalizörlü deneylerdeki piroliz dönüşümü, katalizörsüze kıyasla önemli değişiklik göstermemiştir. 500ºC piroliz sıcaklığındaki önemli değişiklik sıvı ve gaz ürün açısından gözlenmiş olup, optimum katalizör oranı olarak ise %10 saptanmıştır. Hammaddeye göre ağırlıkça %5 lik katalizör kullanıldığında %26,44 olan sıvı ürün verimi katalizörsüze nazaran %9,62 lik artış göstermiştir. %10 luk katalizörlü deneylerde elde edilen %27,48 lik değer ise katalizörsüze göre %14 lük, %5 lik katalizörsüze göre ise %4,3 lük artış göstermiştir. Bu sıcaklıktaki katalizörlü elde edilen gaz ürün verimleri katalizörsüze oranla azalmıştır. Katalizörsüz %29,38 olarak elde edilen gaz ürün verimi %10 luk katalizör kullanılmasıyla %22,73 e azalmıştır. Deneylerin ikinci aşamasında ise optimum katalizör oranı olan %10 kullanılmıştır. Bu aşamada değiştirilen parametre piroliz sıcaklığı olmuş ve 750ºC de yüksek sıcaklık kullanılmıştır. Bu sıcaklıkta elde edilen sıvı ve gaz ürün verimleri ise 500ºC dekine tam bir zıtlık göstermiştir. Katalizörsüz %24,26 olarak elde edilen sıvı ürün verimi katalizör kullanılmasıyla %10,7 lik azalışla %21,67 ye düşmüştür. Gaz ürün verimi ise artarak %35,55 e ulaşmıştır. Her iki sıcaklıkta yapılan deneylerde de su verimi katalizör kullanılmasıyla artmıştır. IR spektrumu sıvı ürünün yapısında hidroksil grubu içeren alkol ve fenollerin, doymuş hidrokarbonların, karbonil grubu içeren keton ve aldehitlerin ve olefinlerin bulunduğunu göstermiştir. Sıvı ürünlerin n-pentan alt fraksiyonu gaz kromatogramı incelendiğinde ise; susam sapı alifatik fraksiyonların C 14 -C 29 arasında olduğu söylenebilir. Sonuç olarak hiçbir amaçlı değerlendirilemeyen susam sapı biyokütle örneğinin katalizörlü elde edilen sıvı ürününün sentetik sıvı yakıt olarak kullanılabileceği saptanmıştır.

6 4. KAYNAKLAR 1. Tuna, M., Enerji, Çevre ve Toplum, II. Çevre ve Enerji Kongresi, Kasım, İstanbul, 87-96, Hall, D.O. and Scrase, J.I., Will Biomass Be the Environmentally Friendly Fuel of the Future? Biomass and Bioenergy, 15, , Dunn, P.D., Renewable Energies: Sources, Conversion and Application, Heffers Printers Ltd., Cambridge, 26-61, Soltes, E. J., Of Biomass Pyrolysis and Liquids. Thereform. In ACS Symposium Series, 376, Sorensen, H.A., Energy Conversion Systems. New York: Chemical Publ. Co Tan, A.Ş., Susam Tarımı ve Sorunları, Ege Tarımsal Araştırma Enstitüsü, T.C. Başbakanlık Devlet İstatistik Enstitüsü, Tarımsal Yapı Üretim Değerleri, 1997.