YÜKSEK YOĞUNLUKLU POLİETİLEN VE POLİPROPİLEN ATIKLARIN AKIŞKAN YATAKTA PİROLİZİ Şeyda ALTAŞ, İlknur KAYACAN, Özkan Murat DOĞAN Gazi Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Maltepe 657 Ankara ÖZET Yapılan bu çalışmada; atık durumdaki yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve polipropilenin (PP) farklı oranlardaki karışımlarının, izotermal olmayan şartlarda ısıl bozunması (pirolizi) incelenmiştir. Bu amaçla ilk aşamada, akışkan yatakta kullanılacak yatak malzemesi döküm kumunun ve YYPE ve PP nin yoğunlukları, boşluk kesirleri ve minimum akışkanlaşma hızları gibi özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra şehir atıklarından elde edilen atık YYPE ve PP plastiklerinin hazırlanan karışımları (% 25 YYPE+% 75 PP, % 5 YYPE + % 5 PP, % 75 YYPE+% 25 PP) 4-55 o C sıcaklık aralığında, iki farklı boş kolon hızında piroliz işlemi gerçekleştirilmiştir. Piroliz işlemi sonucunda elde edilen gaz ve sıvı ürünlerin verimleri hesaplanmıştır. Ayrıca boş kolon hızının ürün dağılımına etkisi incelenmiştir. Elde edilen ürünlerin Fourier Transform Infrared (FTIR) spektrometresinde analizleri yapılmış ve fonksiyonel grup yüzdeleri belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: FTIR, yüksek yoğunluklu polietilen, polipropilen, akışkan yatak, piroliz, ısıl bozunma. GİRİŞ Günümüzde hemen hemen her sektörde, barınma, beslenme, ulaşım, giyinme ve hatta eğlenme faaliyetlerinde bile bir plastik malzeme ile karşılaşmaktayız. Örneğin, polistiren bir diş fırçası ile sağlığımızı korumada ilk adımı atarken, bozulan sağlığımızı yeniden kazanmak için yapılan tüm çalışmalarda bir enjektör, bir saydam plastik boru, bir röntgen filmi ve hatta suni organ olarak bir plastik malzeme ile karşılaşırız. Oldukça yaygın kullanım alanlarına sahip olan plastikler kullanım süreleri sonunda doğal olarak atık oluşturmaktadır. Aynı zamanda sürekli ham kaynaktan üretim ekonomik kayıplara yol açmaktadır. Bu nedenle plastik atıkların değerlendirilmesi büyük önem taşımaktadır [1-6]. Bu çalışmada; plastik atıklar içinde önemli bir paya sahip olan YYPE ve PP nin piroliz işlemi ile değerlendirilmesi incelenmiştir. Çalışmada ilk önce akışkanlaştırıcı ortam olarak kullanılan döküm kumunun, YYPE ve PP plastiklerinin yoğunlukları, boşluk kesirleri ve minimum akışkanlaşma hızları gibi özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra seçilen plastik karışımlarının laboratuvar ölçekli akışkan yatak piroliz deney düzeneği kullanılarak iki farklı boş kolon hızında piroliz deneyleri yapılmıştır. Piroliz deneylerinde elde edilen sıvı ve gaz ürünlerin analizi ve karakterizasyon çalışmaları Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR) ile gerçekleştirilmiştir.
YÖNTEMLER Kullanılan Plastikler Deneylerde kullanılan atık YYPE ve PP şehirsel atıklarda bulunan yoğurt, margarin, deterjan ve film kapları toplanarak elde edilmiştir. Toplanan YYPE ve PP nin hesaplanan yoğunluk, boşluk kesri ve minimum akışkanlaşma hızları değerleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Çizelge 1. Atık Plastiklerin Hesaplanan Bazı Özellikleri Plastik Tipi YYPE PP Boşluk Kesri,334,389 Yığın yoğunluğu (kg/m 3 ) 614,26 514,14 Partikül yoğunluğu (kg/m 3 ) 921,9 84,7 d p (m),32,34 U mf (m/s),79,89 Akışkan Yataklı Piroliz Deneyleri Deneyler laboratuvar ölçekli akışkan yataklı deney düzeneğinde inert ve izotermal olmayan şartlarda, 4-55 o C sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. 4 cm çapında ve 1 m yüksekliğinde camdan yapılmış akışkan yatakta, akışkanlaştırmayı ve inert ortamı sağlamak amacıyla azot gazı kullanılmıştır. Yatak malzemesi olarak da,28 mm ortalama partikül boyundaki döküm kumu kullanılmıştır. Şekil 1. Laboratuvar ölçekli deney düzeneği Akışkan yatak dikey konumlu tüp fırına yerleştirilmiş ve ısıtma işlemi kontrollü bir şekilde yapılmıştır. YYPE ve PP atıkların karışımları akışkan yatağa üst bölgeden ve,17 g/s akış hızında, vidalı bir besleme sistemiyle beslenmiştir. Yatakta azot gazının akış hızı, boş kolon hızının minimum akışkanlaşma hızına oranı 1,9 ve 1,85 olacak şekilde ayarlanmıştır. Piroliz işlemi
sonucunda elde edilen sıvı ve gaz ürünlerin verimleri belirlenmiştir. Ayrıca elde edilen ürünlerin Fourier Transform Infrared Spektrometre (FTIR) cihazı ile fonksiyonel grup analizleri yapılmıştır. SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRME Akışkan Yatakta YYPE ve PP Karışımlarının Pirolizi Laboratuvar ölçekli akışkan yataklı deney düzeneği ile YYPE ve PP nin farklı oranlardaki karışımları ile iki farklı boş kolon hızında piroliz deneyleri yapılmıştır. Yapılan her piroliz işlemi sonucunda sarı-açık kahverengi renkte, sıvı ürün ile beyazımsı gaz ürün elde edilmiştir. Elde edilen sıvı ürünler toplanmış ve sıvı, gaz ürünlerin verimi hesaplanmıştır. İki farklı boş kolon hızında yapılan deneylerde YYPE ve PP karışımları için gaz ürün verimi % 94,7-98 arasında değişirken sıvı ürün veriminin % 2-5,3 arasında değiştiği belirlenmiştir [1]. Bu değerlerden de anlaşıldığı gibi iki farklı boş kolon hızında yapılan piroliz işleminin ürün verimi üzerinde fazla bir etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Elde edilen gaz ve sıvı ürün verimleri Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge.2. Piroliz deneyleri sonucunda elde edilen sıvı ve gaz ürün verimleri U o /U mf =1,93 U o /U mf =1,85 Karışım Oranları Sıvı Gaz Sıvı Gaz % 75 YYPE-% 25 PP 5,3 94,7 2,5 97,5 % 5 YYPE- % 25 PP 4 96 2 98 % 25 YYPE- % 25 PP 3,3 96,7 2 98 Akışkan yatak piroliz deneyleri sonucunda elde edilen ürünlerin potansiyel kullanım alanlarının belirlenmesi amacıyla, FTIR kullanılarak analizleri yapılmıştır. Bu analizler için Mattson 1 model FTIR cihazı kullanılmıştır. FTIR deneyleri sonucunda elde edilen spektrumlar YYPE, PP ve bu plastiklerin karışımları için Şekil 2 den Şekil 7 ye kadar olan grafiklerde verilmiştir.,9,8,7,6,5,4,3,2,1 2 24 2 16 Dalga Sayısı, cm-1 4,12,1,8,6,4,2 2 24 2 16 Dalga Sayısı,cm-1 4 Şekil 2. % 25YYPE-% 75 PP karışımı için U o /U mf =1,93 için FTIR Spektrumu Şekil 3. % 25YYPE-% 75 PP karışımı için U o /U mf =1,85 için FTIR Spektrumu
,12,1,8,6,4,2 2 24 2 16 4,16,14,12,1,8,6,4,2 2 24 2 16 4 Dalga sayısı, cm-1 Dalga Sayısı,cm-1 Şekil 4. % 5 YYPE-% 5 PP karışımı için U o /U mf =1,93 için FTIR Spektrumu Şekil 5. % 5 YYPE-% 5 PP karışımı için U o /U mf =1,85 için FTIR Spektrumu,18,16,14,12,1,8,6,4,2 2 24 2 16 4,12,1,8,6,4,2 2 24 2 16 4 Dalga Sayısı, cm-1 Dalga Sayısı,cm-1 Şekil 6. % 25 YYPE-% 75 PP karışımı için U o /U mf =1,93 için FTIR Spektrumu Şekil 7. % 25 YYPE-% 75 PP karışımı için U o /U mf =1,85 için FTIR Spektrumu Elde edilen spektrumlar bir yazılım programı yardımı ile analiz edilmiş, buradan gaz numune için fonksiyonel grup yüzdeleri hesaplanmıştır. Hesaplanan değerler de Çizelge 3-5 de verilmiştir. Spektrumlardan gaz üründe her iki boş kolon hızında fonksiyonel grup miktarlarının birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Çizelge 3. % 25YYPE-% 75PP karışımı için iki farklı hız için elde edilen fonksiyonel grup bileşimi Fonksiyonel Gruplar U o /U mf =1,93 (%) U o /U mf =1,85 (%) Aromatik C-H 3,47 3,67 Alifatik C-H 89,1 91,72 Aromatik C=C,72 - CH 2 6,71 4,6
Çizelge 4. % 5YYPE-% 5PP karışımı için iki farklı hız için elde edilen fonksiyonel grup bileşimi Fonksiyonel Gruplar U o /U mf =1,93 (%) U o /U mf =1,85 (%) Aromatik C-H 6,3 2,38 Alifatik C-H 85,59 9,14 Aromatik C=C 2,26 1,62 CH 2 5,85 5,85 Çizelge 5. % 75 YYPE-% 25PP karışımı için iki farklı hız için elde edilen fonksiyonel grup bileşimi Fonksiyonel Gruplar U o /U mf =1,93 (%) U o /U mf =1,85 (%) Aromatik C-H 51,76 57,85 Alifatik C-H 28,61 3,71 Karbonil C=O 2,52 11,42 Aromatik C=C 17,11 - İki farklı hız değeri için yapılan deneyler sonucunda elde edilen fonksiyonel grup yüzdeleri incelendiğinde, yüzdelerin birbirlerine oranlarının birbirinden çok farklı olmadığı görülmektedir. Bu yüzden iki farklı akış hızından daha düşük olan U o /U mf =1,93 oranının uygun çalışma değeri olduğuna karar verilmiştir. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Gazi Üniversitesi, MMF 6/22-28 nolu Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında yapılmıştır. Katkılarından dolayı Gazi Üniversitesi Rektörlüğüne teşekkür ederiz. SEMBOLLER dp U mf U o Partikül çapı (m) Minimum akışkanlaşma hızı (m/s) Boş kolon hızı (m/s) KAYNAKLAR [1]. Mastral, F.J., Esperanza, E., Berrueco, C., Juste, M., Ceamanos, J., Fluidized bed thermal degration products of HDPE in inert atmospere and in ai-nitrogen mixture, Journel of Analytical and Applied Pyrolysis, 7, 1-17, 23. [2]. Williams, E.A., Williams, P.T., Fluidized bed pyrolysis of low-density polyethlene to produce petrochemical feedstock, Jounal of Analytical and Applied Pyrolyssis, 51, 17-126,1999. [3]. Mastellone, M.L., Perugini, F., Ponte., M., Arna, U., Fluidized bed pyrolysis of recycled polyethlene, Polymer Degration and Stability, 76,479-487, 22. [4]. Atlaş, Ş., Plastik Atıkların Akışkan Yatakta Pirolizi ve Ürünlerin Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 23.
[5]. İ. Kayacan, F. Özkan, Ş. Atlaş, Ö.M. Doğan, B. Z. Uysal, Propilen Atıkların Pirolizi, 5.Ulusal Kimya Müh. Kongresi Özet Kitabı, Ankara Üniv., Ankara, 2-5 Eylül 22. [6]. Kayacan, İ., S. Baş, Ö.M. Doğan and B.Z. Uysal, Thermal Degration of Polystyrene, Presented in ISWA 22 World Environment Congress and Exhibition, Ed. G. Kocasoy, T. Atabarut and i. Nuhoğlu, Vol. 1, 631-638, İstanbul, July, 22.