Biyokütlenin hızlı piroliz parametrelerinin optimizasyonu ve katalizörün ürünlere etkileri

Abstract

Biyokütle, bol miktarda bulunması ve düşük emisyonu sebebiyle yakın zamanda tükenecek olan fosil yakıtların yerini alabilecek umut verici alternatif bir enerji kaynağı haline gelmiştir. Termokimyasal dönüşüm teknolojilerinden olan hızlı piroliz, biyokütleyi biyoyağ gibi değerli ürünlere dönüştürmenin önemli yöntemlerinden biridir. Bu çalışmada, Nijer'de bol miktarda bulunan fakat az kullanılan Pearl Millet (Millet) ve Sida cordifolia (Sida) biyokütle olarak kullanılmıştır. Beş farklı ısıtma hızında (10, 20, 30, 40, 50 °C/dk) ve atmosferik basınç altında piroliz ve yakma proseslerini temsilen azot gazı ve hava ortamında her iki biyokütle için termogravimetrik analiz (TGA) gerçekleştirilmiştir. Kinetik ve termodinamik parametreler, eş-dönüşümlü modeller olan Flynn-Wall-Ozawa (FWO) ve Kissenger-Akahira-Sunose (KAS) ile belirlenmiştir. Daha sonra, Cevap Yüzeyi Yöntemi (CYY) kullanılarak, Millet ve Sida'nın hızlı pirolizinden maksimum biyoyağ verimi (BV) elde etmek için parçacık boyutu (PB), reaksiyon sıcaklığı (RS) ve azot gazı akış hızı (AGAH) gibi proses parametrelerinin optimizasyonu Merkezi Kompozit Tasarım (MKT) yaklaşımı ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel tasarım ile seçilen proses parametrelerinin Millet ve Sida'nın pirolizi ile biyoyağ üretim verimine etkisi incelenmiş ve ANOVA analizleri ile faktörler açısından ampirik modeller oluşturulmuştur. BV ile parametreleri ilişkilendirmek amacıyla ikinci dereceden polinom denklemleri geliştirilmiştir. Optimize edilmiş proses parametre değerleri kullanılarak yapılan hızlı piroliz deneylerinde katalizörlerin, ürün dağılımı ve biyoyağ kalitesi üzerindeki etkilerini araştırmak için, zeolit socony mobil-5 (ZSM-5), seryum oksit (CeO2), zirkonyum oksit (ZrO2), çinko oksit (ZnO) ve sodyum karbonat (Na2CO3) gibi beş farklı katalizör kullanılarak Millet ve Sida'nın katalitik hızlı pirolizi (KHP) gerçekleştirilmiştir. Millet ve Sida'nın pirolizinden elde edilen TGA verileri FWO ve KAS modellerinde kullanılarak hesaplanan aktivasyon enerjisi (Ea) sırasıyla 89.63 ve 83.89, 80.74 ve 74.74 kJ/mol'dür. Benzer şekilde, Millet ve Sida'nın yakılmasından elde edilen TGA verileri FWO ve KAS modellerinde kullanılarak hesaplanan Ea sırasıyla 57.27 ve 49.47, 58.91 ve 51.08 kJ/mol'dür. FWO ve KAS kullanılarak elde edilen Ea, entalpi değişimi (ΔH), antropi değişimi (ΔS) ve Gibbs serbest enerji değişimi (ΔG) gibi kinetik ve termodinamik parametreler, Millet ve Sida'nın piroliz ve yakma yöntemleriyle biyoenerji üretimi için dikkate değer biyokütleler olduklarını göstermektedir. Optimizasyon işleminde, kübik ve kuadratik modeller sırasıyla Millet ve Sida'nın verilerini en iyi şekilde temsil etmiştir. Millet ve Sida'nın maksimum BV her iki biyokütle için %48.27 ve 48.00 olarak, 1.5 mm, 400°C ve 200 mL/dk optimum parametre değerlerinde elde edilmiştir. Optimize edilmiş proses parametre değerleri kullanılarak gerçekleştirilen KHP deneyleri sırasında BV, katalizör ve biyokütle türünden bağımsız olarak azalırken, biochar ve gaz karışım miktarlarında belirli bir eğilim gözlenmemiş, yani bazen azalmış bazen de artmışlardır. Tüm katalizörler arasında, CeO2'in Millet'in KHP'sinden asitler ve alkanlar; Sida'nın KHP'sinden ise asitler, ketonlar ve aromatikler üretmek için en uygun olduğu bulunmuştur. Na2CO3 katalizörü ile Millet'ten yüksek miktarda ketonlar ve Sida'dan ise alkanlar elde edilmiştir. Millet biyokütlesinden ZrO2 katalizörü ile üretilen biyoyağda yüksek miktarda aromatik bileşiklerin, ZSM-5 katalizörü ile üretilen biyoyağda ise alkoller, aminler ve diğer kimyasalların bol miktarda bulunduğu belirlenmiştir. Genel olarak, optimize edilmiş parametre değerleri kullanılarak KHP ile Millet ve Sida biyokütlelerinin yakıt (biyoyağ) veya değerli kimyasallar üretmek için uygun olduğu görülmektedir.