TUBİTAK FİZİK, KİMYA, BİYLJİ, MATEMATİK BİLİM DANISMANLIGI ÇALISTAYI KİMYA GRUP PRJE RAPRU KIZARTILMIŞ ATIK YAĞ, YEMEKLİK KATI YAĞDAN ve ZEYTİNYAĞINDAN BİYDİZEL YAPIMI Kimya 3.Grup Mahmut KARADAĞ (ELAZIĞ-Sivrice Cumhuriyet YİB) Adem DĞU (Tarsus İstemihan Talay YİB) Kemalettin ARVAS (BİTLİS-Hizan Karasu YİB) DANIŞMANLAR: Prof Dr.Veysel TURAN YILMAZ, Prof Dr. Hasan SEÇEN
KIZARTILMIŞ ATIK YAĞ, YEMEKLİK KATI YAĞDAN ve ZEYTİNYAĞINDAN BİYDİZEL YAPIMI 1.PRJENİN AMACI: Halen kullanmakta olduğumuz fosil yakıtların tükenmekte olduğu ve buna bağlı olarak çevreye zarar vermeyecek yeni yakıtlar arayışı içerisine girilmiştir. Çevre açısından birçok olumsuz etkilere sahip olan atık yağların sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak değerlendirilebileceği düşünülerek evlerimizde kullandığımız kızartmalık atık yağlardan, evde kullandığımız ucuz katı yağlardan ve zeytinyağından biyodizel elde etmektir. 2.GİRİŞ 2.1. Biyodizel Nedir? Biyodizel, kolza kanola, ayçiçeği, soya, aspir gibi yağlı tohum bitkilerinden elde edilen yağların veya hayvansal yağların bir katalizatör eşliğinde kısa zincirli bir alkol ile ( metanol veya etanol ) reaksiyonu sonucunda açığa çıkan ve yakıt olarak kullanılan bir üründür. Evsel kızartma yağları ve hayvansal yağlar da biyodizel hammaddesi olarak kullanılabilir. 2.2. Biyoyakıtın Tarihi Biyoyakıt fikri şaşılacak derecede eskidir. Diesel motorun mucidi Rudolf Diesel bitkisel yağlardan yakıt elde etmeyi düşünen ilk kişidir. İlk defa 1900 yılında Paris teki dünya fuarında motorunu yerfıstığı yağıyla deneyerek sunmuştur. Aynı şekilde Henry Ford, Model T arabasını bir mısır ürünü olan etanol ile çalıştırmıştır. Sonuç olarak Diesel ve Ford un bu çalışmaları, petrolün o zamanki şartlar için daha mantıklı bir yakıt olması nedeniyle durmuştur. 1970 ve 1980 li yıllarda biyolojik yakıt kavramı Amerika Birleşik Devletlerinde tekrardan ele alınmıştır. Özellikle çevre kirliliği, ozon deliği vb. gibi şeyler bu çalışmaların tekrar başlamasında etkili olmuştur. 1973-1974 teki Arap petrol ambargosu, 1978-1979 daki İran Devrimi petrol fiyatlarını iki kat arttırmıştır. Petrol fiyatlarındaki artış araştırmacıların başka kaynaklara yönelmelerine neden olmuştur. Ağustos 1982 Birinci Uluslararası Bitki ve Sebze Yağları kongresinde de bitkisel yağlardan yakıt üretimi konusunda durulmuştur. 2.3. Biyodizel Nasıl Çalışır? Artan petrol fiyatları ve petrol tabanlı yakıtların çevreye verdiği zararlar nedeniyle daha çevreci yakıtlar ve yeni enerji kaynakları bulmak için yapılan araştırmalar yoğunlaşmış ve hızlandırılmıştır. Bu seçeneklerden biri de biyodizeldir. Benzinli arabalara alternatif olarak elektrikli ve hidrojenli arabalar düşünülmüştür. Ancak şu anki teknoloji bu arabaların günlük hayatta verimli bir şekilde kullanımlarının önünde engel teşkil etmektedir. Bu geçiş döneminde biyodizel yakıtlı arabalar iyi bir tercihtir. Biyoyakıtlar yakıt fosil yakıtların tersine biyolojik içeriklerden oluşur. Bu biyolojik içeriklerin temel maddesi mısır, soya fasulyesi, hayvan yağı vb. olabilir. Genel olarak anlatmak gerekirse biyodizel standart dizel yakıtına alternatif veya ek olarak kullanılabilecek, petrol yerine biyolojik içerikten yapılmış bir yakıttır. Biyodizel çeşitli kimyasal reaksiyonlardan geçirilmiş bitkisel yağlar veya hayvan yağlarından üretilir. Bu iki kaynak da toksik değildir ve yenilenebilir. Biyodizel güvenlidir ve dizel motorlarda ya çok
küçük bir değişikliğe ihtiyaç duyarak yada hiçbir değişikliğe ihtiyaç duymadan kullanılabilir. Biyodizel saf olarak kullanılabilmesine rağmen genelde standart dizel yakıtla karıştırılarak kullanılır. Örneğin en yaygın kullanılan karışım B20 dır. Bu karışımda %20 biyodizel vardır. B100 saf biyodizeli göstermektedir. 2.4. Yağ ve Biodiesel Biyodizelin en ilginç ve dikkat çeken yanı çeşitli doğal kaynaklardan üretilebilmesidir. Hayvansal yağlarda kullanılabilmesine rağmen genellikle bitkisel yağlar tercih edilir. Bilim adamları ve mühendisler soya fasulyesi, kanola, hurma, ayçiçeği, kolza, pamuk çekirdeği, yer fıstığını biyodizel üretmek için kullanmaktadırlar. Biyodizel kullanılmış yemeklik yağdan bile üretilebilmektedir. Biyodizel kaynaklarının ortak noktası hepsinde çeşitli formlarda yağ bulunmasıdır. Bitkisel yağlar oda sıcaklığında sıvı haldeki yağlardır. Bu yağlar trigliseridler olarakta isimlendirilirler. Karbon, hidrojen ve oksijen atomlarının birbirine bağlanıp kendilerine has bir dizilime sahip olmasından oluşmaktadırlar. Trigliseroller oldukça yaygındır. Evde kullanılan bitkisel yağların yanında tereyağı ve domuz yağında da bulunmaktadır. Trigliseroller E harfiyle görselleştirilebilir. E nin yatay şekli gliserol molekülü olarak bilinir. Gliserol sabun, kozmetik ürünler ve ilaç yapımında sıkça kullanılan bir bileşiktir. Bu gliserol omurgasına karbon, oksijen ve hidrojenden oluşan 3 uzun zincir eklenirse oluşan yapıya trigliserit denir. Peki, Trigliseroller araçlarda çalışacak duruma nasıl gelirler? Biyodizeller saf bitkisel yağlar değildir. Daha önce saf bitkisel yağ kullanımı denendiyse de bu motorlarda problemlere yol açmıştır. Saf bitkisel yağ yakıt haline gelmesi için bir takım kimyasal reaksiyonlara sokulur. Biyodizel yapımı için bir kaç farklı yol olmasına rağmen birçok üretim tesisi trans-esterleşme denilen bir işlem uygularlar. Bu işlemde yağ öncelikle arındırılır ve sonra alkolle reaksiyona sokulur. Alkol olarak genellikle metanol ( CH3H) veya etanol (CH3CH2H), katalizör olarakta potasyum hidroksit (KH) veya sodyum hidroksit (NaH) kullanılır. Bu işlemden sonra trigliserol esterler ve gliserol ve metil veya etil esterlerine dönüşür. Esterler viskozitesi düşük, iyi yanabilen maddeler olduklarından biyodizel olarak kullanılmaktadır.
H2C HC H2C + 3 CH3H H- veya H+ H2 C HC H2 C H3C H H H + H3 C H3 C 2.5. Avantajları Biyodizelin birçok önemli avantajı bulunmaktadır. - Çevre dostudur. - Dış kaynaklı petrol bağımlılığını azaltır - Motorun kendini yağlamasını sağlar, böylece aşınmayı azaltır. - Hiçbir değişiklik yapmadan veya çok ufak değişikliklere her dizel motorda kullanılabilir. - Geleneksel dizelden daha güvenlidir. Biyodizelin tercih edilmesindeki en önemli etken çevre dostu olmasıdır. Biyodizel standart dizel yakıttan daha az atığı olmaktadır. Ayrıca biyodizel yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Emisyonlar biodiesele geçiş tartışmalarının merkezini oluşturmaktadır. Bilim adamları, kanun koyucular ve müşteriler tarafından özellikle dikkat edilen bazı zararlı emisyonlar vardır. Sülfür ve buna bağlı bazı atıklar asit yağmurlarına neden olmaktadır. Karbonmonoksit kuvvetli bir zehir olarak bilinmektedir. Karbondioksit sera etkisi yaratmaktadır. Bunların dışında az bilinen başka bazı zararlı atıklar da vardır. Polisilik Aromatik Hidrokarbonlar ( PAHs), kansere neden olmaktadır. Parçacık halinde dolaşan atıklar sağlık üzerinde negatif etki oluşturmaktadır. Yanmamış hidrokarbonlar ise dumanlı sise ve ozon tabakasının delinmesine yol açmaktadırlar. Biyodizel tehlikeli emisyonları azaltır. İlave olarak söylemek gerekirse B100 karbondioksit emisyonunu %78 ve dizel yakıtların neden olduğu kanserojen etkileri %94 oranında azaltır. Biyodizelin diğer bir özelliği geri dönüşümlü olmasıdır. Bakteri gibi doğal etkilerle ayrıştırılabilir. Biyodizel geleneksel dizel yakıta göre 4 kat daha hızlı bir şekilde ayrıştırılabilir.
Biyodizel ülkemizin petrol ihtiyacının arttığı ancak dünyadaki petrol üretiminin azaldığı bir dönemde büyük önem arzetmektedir. Biyodizel ayrıca motorun yağlanmasını da sağlayacaktır. Böylece motor daha rahat hareket edebilir. Biyodizel bir çözücü gibi davranıp motor içinde tıkanmaya sebep olabilecek tortuları da süpürür. Sadece %1 lik biyodizel karışımı bile yakıtın yağlanma seviyesini %65 arttırır. Biyodizel ayrıca daha güvenlidir. Biyodizel zehirli değildir. Yanma noktası klasik dizele göre daha yüksektir. Yüksek yanma noktası kazara meydana gelen yanmaları azaltır. Buda motorun stabilitesini ve hareketini kolaylaştırır. 2.6. Biyodizelin Dezavantajları Hiçbir şey kusursuz olmadığı için biyodizelinde zayıf yanları vardır. Problemlerden biri biyodizel emisyonlarında artan nitrojen oksittir. Dizel yakıt üretiminde genellikle emisyondaki katı parçacıklar azaltıldığında buna bağlı olarak nitrojen oksit miktarında artış olur. Nitrojen oksit oranını azaltmak için çalışmalar hâlâ sürdürülmektedir. Diğer bir problem ise biyodizelin bir çözücü olarak davranmasıdır. Bu özellik iki tarafı keskin kılıç gibidir. Bazı eski model dizel araçlarda ( 1992 den önceki ) yüksek konsantrasyonlu biyodizel kullanımı motorda tıkanmaya yol açabilir. Biyodizel üreticileri yüksek konsantrasyonlu biyodizel kullanımına geçildikten sonra yakıt pompasının değiştirilmesini önermektedirler. Ayrıca bazı motorlarda hem yakıt ekonomisini hemde elde edilen gücü çok küçük bir miktar düşürür. Güçte ortalama olarak %10 bir düşüş yaşanır. Diğer bir değişle 1.1 galon biyodizel, 1 litre standart dizele eşittir. Biyodizelin şu anki en büyük dezavantajı ise fiyatıdır. Örneğin B20 standart dizelden galon başına 30-40 sent daha maliyetlidir. Diğer bir önemli dezavantaj ise ulaşılabilirliktir. Biyodizel yakıt, standart dizel yakıtlar gibi her yerde bulunamamaktadırlar.[1] 3.KULLANILAN MATERYALLER VE YÖNTEM: 3.1.MATERYALLER: 3.1.1. Bitkisel Materyaller Atık kızartma yağı Yüksek asitli zeytinyağı Ucuz margarin 3.1.2. Kullanılan kimyasal Materyaller Sodyum Hidroksit Metilalkol Sodyum Sülfat
3.2.YÖNTEM: 180 ml metanol ün içerisine 5 gram NaH sodyum hidroksit (Kostik) koyularak yarım saat eriyene kadar karıştırıldı. Bu karıştırma esnasında NaH ve NMe karışımı elde edildi. H3 C H + Na+ H- H 3C - Na++ H2 Daha sonra 200 ml zeytinyağı 55 dereceye kadar ısıtıldı. Bu ısınan yağ ile hidroksit/metoksit karışımı birbirine katılarak 1 saat karıştırıldı. Daha sonra 8 saat dinlendirildi. Alt kısımda % 10 gliserin dibe çöktü. Bu gliserin fiziksek olarak ayrıştırıldı. Daha sonra kalan %90 lık kısım saf su ile yıkandı. Bu işleme Suyun Ph ı 7 olana kadar devam edildi. Su ile Biyodizel 10 saat dinlendirilince birbirinden ayrıldı.daha sonra NaCl çözeltisi harılandı. Hazırlanan çözelti ile biyodizel karıştırılıp ayırma hunisiyle ayrıldı.ayırma işleminden sonra Sodyum Sülfat ile kurutma işlemine tabi tutuldu.kurutma işleminden sonra süzme işlemi ile biyodizel elde edildi.gerekli testler yapılarak biyodizelin oluşup oluşmadığına bakıldı.aynı işlem yüksek asitli zeytinyağı ve katı yağ içinde uygulandı. 4.SNUÇLAR VE TARTIŞMA: Bu çalışmada evlerimizde kullandığımız kızartma yağlarından, zeytinyağı ve katı yakıtlardan biyodizel elde edilmeye çalışılmıştır. Kızartmada kullanılan yağdan elde edilen biyodizel sonuç vermiş olup alevli yanma görülmüştür. Katı ve yüksek asitli zeytinyağında ise yanma gözlenememiştir. Biyodizel üretim maliyeti içerisinde en önemli etken ham yağ fiyatıdır. Restoranlardan, yemek fabrikalarından, otellerden ve evlerden çıkan yemeklik atık yağlar, ekonomik oluşu ve bertaraf edilme sorunları nedeniyle dikkat çekmektedir.bu veriler ışığında Türkiye de yılda 350.000 ton atık yağ meydana geldiği düşünülürse bu yağlardan elde edilen biyodizel ucuz alternatif dizel yakıtı olarak kullanılabilir. Deney aşamaları aşağıda gösterilmiştir.
Resim-1 Resim-2 1.ve 2.resimde kızartılmış yağ ve yemeklik katı yağ 55 0C sıcaklıkta metaoksit karışımı yapılırken çekilen görüntülerdir. Resim-3 Resim-4 3.resimde karışımın ayırma hunisine koyulma anı. Resim-4 de ayırma hunisinde gliserinin biyodizelden ayrılması.
Resim-5 Resim-6 Resim-5 de gliserini ayırma hunisiyle ayrılması. Resim-6 da biyodizelin saf su ile yıkanması. Resim-7 Resim-7 Ph ölçümü. Resim-9 Resim-8 Resim-8 Yıkamadan sonra biyodizelin ayrılması. Resim-10 Resim-9 sodyum sülfatla kurutma işlemi yapılırken. Resim- 10 Süzme işlemi.
Resim-11 Resim-12 Resim-11 süzme işlemi. Resim-12 Elde edilen biyodizelin varlığını ispatlamak için yapılan yakma işlemi. TEŞEKKÜRLER: Bu çalışmamızda başta bu organizasyonu düzenleyerek bizlerin buraya getiren Sayın Prof.Dr. Mehmet AY a ve bize danışmanlık yapan Prof. Dr. Hasan SEÇEN, Prof Dr. Veysel TURAN YILMAZ a, ayrıca yardımlarından dolayı Mümin TANSU DÖNMEZ ve tüm personel ekibe çok teşekkür ederiz. 5-KAYNAKLAR: [1].http://www.turksan.com/biyodizel-nedir-nasil-calisir.html [2] http://www.betoser.com/biydizel.html [3] YEMEKLİK ATIK YAĞLARIN BİYDİZEL ÜRETİMİNDE DEĞERLENDİRİLMESİ Meltem USLAN, Nadir DİZGE, Bülent KESKİNLER