LEE- Kimya Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19355

Gözat

Yazar "Bayazit, Şahika Sena" ile LEE- Kimya Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Eşzamanlı karbondioksit kullanımı ve hidrojen dönüşümü için nikel-demir bazlı katalizör üzerinde karbondioksitten metan eldesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-23) Kaplan, Buket ; Sarıoğlan, Alper ; Bayazit, Şahika Sena ; 506211007 ; Kimya Mühendisliği
    İnsanlık tarihi boyunca enerji kullanımı, küresel gelişimin tüm aşamalarıyla yakından ilişkilidir. Uygarlıklara güç sağlamak için kullanılan enerjinin çoğu, yüksek enerji yoğunluğuna, düşük maliyete ve erişim kolaylığına sahip fosil yakıtlardan (petrol, kömür ve doğal gaz) sağlanmaktadır. Halen fosil kaynaklar küresel birincil enerji talebinin %85'ini temsil etmektedir; ancak fosil yakıt kullanımının çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri bulunmaktadır. İnsan kaynaklı iklim değişikliği ve fosil türevli kaynakların tükenmesi, bugün toplumdaki en belirgin sorunlardan ikisidir. Geçmişten günümüze fosil yakıt kullanımından kaynaklanan aşırı karbondioksit (CO2) emisyonları ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Karbondioksit atmosferde yüksek konsantrasyonda bulunan sera gazlarından birisi olup, küresel ısınma ve iklim değişikliği ile mücadele eylem planlarında birinci öncelik karbondioksitin tutulması ve mümkünse bir hidrokarbon kaynağı olarak yeniden kullanımıdır. Bu plan doğrultusunda "Güçten Gaza" (Power to Gas, P2G) teknolojisi başlığı altında karbondioksit metanasyonu olarak da bilinen karbondioksitin metana katalitik hidrojenasyonu öne çıkan karbondioksit kullanım stratejilerinden bir tanesidir. Karbondioksit metanasyonu verimli ve ekonomik olarak da uygulanabilir bir proses olup, sentetik yakıt ve ara mamul olarak çok yönlü kullanım gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Bu nedenle karbondioksit kullanım stratejileri arasında büyük ilgi görmektedir. CO2'nin metana katalitik olarak hidrojenasyonu oldukça ekzotermik bir reaksiyon olup, termodinamik olarak düşük sıcaklıklarda daha yüksek bir dönüşüm veren bir katalitik prosestir. Bununla birlikte tamamen oksitlenmiş ve son derece kararlı bir molekül olan karbondioksitin metana hidrojenasyonu, karbon monoksit hidrojenasyonuna göre çok daha zor işletme şartlarında gerçekleşmektedir. Kabul edilebilir bir dönüşüm ve seçicilik elde edilmesinde katalizör performansı belirleyicidir. Aktivite, seçicilik, stabilite ve katalitik yüzey difüzyonu bir katalizörün performansı belirleyen parametrelerdir. Katalizörün bu dört parametreyi de karşılayacak bir performansa sahip olması beklenmektedir. Geliştirilecek katalizörün karbondioksit ve hidrojen dönüşümünün yüksek ve yan reaksiyonlardan gelen karbon monoksit ve metan harici hidrokarbon oluşumunun düşük olması istenmektedir. CO2 metanasyon katalizörleri arasında nikel içerikli katalizörler yüksek katalitik aktiviteleri ve düşük maliyetleri ile avantajlı bir konumdadır. Ancak karbondioksit hidrojenasyonu sırasında koklaşma ve sinterleşme nedeniyle katalizörün kullanım ömrü sınırlıdır. Nikel katalizörlerin koklaşma ve sinterleşme gibi dezavantajlarını iyileştirmek için ikinci bir aktif metal ile katkılanarak bimetalik katalizörler sentezlenmektedir. Destek malzemeleri katalizörün yüzey özelliklerini geliştirmek ve sinterlenmeyi önlemek üzere yüzeyde metal dağılımını artırmak için kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında CO2 hidrojenasyon reaksiyonu ile karbondioksitten metan eldesine yönelik spinel yapıda nikel ferrit katalizörlerinin sentezi, karakterizasyonları ve test reaksiyonu çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Desteksiz olarak bimetalik spinel yapıda nikel ferrit katalizörü birlikte çöktürme yöntemi ile sentezlenmiştir. YSZ ve γ-Al2O3 destekli Ni-Fe katalizörleri ise destek yüzeyinde çöktürme yöntemi ile hazırlanmıştır. Ni-Fe bazlı metal organik kafes (MOF) yapılar hidrotermal yöntemle sentezlenmiştir. Ardından kalsinasyon uygulanarak MOF yapısı bozundurulmuş ve karbon ile çevrelenmiş/desteklenmiş nikel ferrit yapısı elde edilmiştir. Peşi sıra hazırlanan tüm katalizörler karakterize edilerek ve katalitik performans testleri gerçekleştirilerek katalitik yapı-aktivite ilişkisi aydınlatılmaya çalışılmıştır. Katalizör karakterizasyonunda Brunauer-Emmett-Teller (BET) yüzey alanı ve gözenek hacmi ölçümü için azot adsorpsiyon izotermi alınmıştır. Kristal fazların analizi için X-ışını kırınımı (XRD), yüzey morfolojisi için taramalı elektron mikroskobu (SEM), termal kararlılık ve yapı analizi için termal gravimetri, katalizörlerin indirgenme davranışlarını belirlemek için hidrojen ile sıcaklık programlı indirgeme (H2-TPR) ve yüzey bazikliğinin katalitik aktivite üzerine etkisini değerlendirmek üzere sıcaklık programlı karbondioksit desorpsiyonu (CO2-TPD) tekniklerine başvurulmuştur. Ölçülen XRD desenleri ile MOF yapısı, nikel ferrit spinel fazları ve destek malzeme yüzeyinde dağılmış aktif metal varlığı doğrulanmıştır. XRD piklerinin Scherrer korelasyonu ile spinel nikel ferrit katalizörlerinin ve destekli katalizörlerin kristal boyutunun 8-13 nm boyut aralığında değiştiği hesaplanmıştır. MOF türevli katalizörlerin kristal boyutu kalsinasyon sıcaklığına göre değişim göstermiştir. SEM görüntülerinden, MOF türevli nikel ferrit katalizör yapısında gömülü ince parçacıklardan oluşan kümeler fark edilmektedir. Gama alümina destekli NiFe2O4 katalizörde ise nikel ferrit partiküllerinin gama alümina destek yüzeyinde homojen dağılımının bir sonucu olarak herhangi bir destek yüzeyi kullanılmadan hazırlanan spinel NiFe2O4 yapısına göre daha küçük partikül boyutuna sahip olduğu belirlenmiştir. Yttria-stabilize zirkonya (YSZ) destek malzemesinin kullanıldığı NiFe/ YSZ ve NiFe/ γ Al2O3-YSZ katalizörler için ise, nikel ferritin destek yüzeyinde homojen olmayan bir dağılım SEM görüntülerinden anlaşılmaktadır. BET analizi sonuçlarına göre nikel ferrit oluşumunun alüminanın hem iç hem de dış yüzeyinde gerçekleştiği düşünülmektedir. Hazırlanan tüm katalizörler karbondioksitin metana hidrojenasyonu için test edilmiş ve %80'in üzerinde metan seçiciliği ile %40-95 aralığında karbondioksit dönüşümü elde edilmiştir. Tez çalışması kapsamında sentezlenen tüm katalizörler arasında en yüksek katalitik performans γ Al2O3 destekli nikel ferrit katalizör için elde edilmiştir. MOF türevli katalizörler arasında ise en yüksek katalitik performansa 350°C'de kalsine edilmiş MOF türevli nikel ferrit ile ulaşılmıştır. Ni-Fe/ γ Al2O3 katalizörü, en yüksek bazik konsantrasyona ve en düşük CO2 yüzey bağlanma enerjisine sahip bir yüzey özelliği göstermektedir. Katalitik aktivite sonuçlarının verildiği Bölüm 4.2'de görüleceği üzere yüzey bazikliğinin şiddeti ve konsantrasyonu ile katalitik aktivite arasında bir ilişki fark edilmektedir. Yüzey bazik merkezlerinin sayısı arttıkça ve baziklik şiddeti azaldıkça katalitik aktivitede önemli bir artış gözlemlenmektedir. Bu sonuç, katalitik yüzey bazikliğinin ve şiddetinin katalitik aktivite üzerinde oldukça belirleyici olduğunu göstermektedir. Katalitik performans test sonuçları, γ Al2O3 destekli nikel ferrit katalizörün karbondioksitten metan üretim prosesi için ticarileşme potansiyelinin bulunduğunu göstermektedir. Yüksek seçiciliğin önem arz ettiği uygulamalarda ise γ Al2O3 ve YSZ karışımının destek malzemesi olarak kullanıldığı nikel ferrit katalizörü için ticarileşme potansiyelinin mevcut olduğu düşünülmektedir. Sonuç olarak tez çalışmasında farklı tekniklerle hazırlanan destekli ve desteksiz nikel ferrit katalizörlerin aktiviteleri ile fizikokimyasal özellikleri ilişkilendirilmiştir. Karbondioksitin metana hidrojenasyonu için endüstriyel olarak umut verici sonuçlar elde edilmiştir.
  • Öge
    Sıvı yakıtlardan indolün giderilmesi için metal organik kafes yapılarından karbon bazlı adsorbanların türetilmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-15) Bulut, Çağla ; Tüter, Melek ; Bayazit, Şahika Sena ; 506191032 ; Kimya Mühendisliği
    Dünya nüfusunun günden güne artmasıyla beraber, enerjiye olan ihtiyacımız da artmaktadır. Fosil yakıtlar ve fosil yakıtlardan üretilen, mazot, benzin, jet yakıtı gibi ürünler bu enerji kaynaklarının başında yer almaktadır. Bu yakıtlar içerisinde çeşitli azotlu ve kükürtlü kirleticiler bulunmakta ve çevre kirliliğinin önlenmesi için bu kirleticilerin yakıtlardan uzaklaştırılması gerekmektedir. Azotlu ve kükürtlü bileşiklerin yakıtlardan uzaklaştırılması için hidrojen kullanımı, ekstraksiyon, oksitleyicilerin kullanımı, adsorpsiyon, biyolojik yöntemler gibi çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemler çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Örneğin hidrojen ile azot ve kükürt giderme yöntemi, yüksek miktarda hidrojen tüketen ve pahalı katalizörler gerektiren bir yöntemdir. Biyolojik yöntemde kullanılan bakteriler ise çevreye karşı hassas olmakla birlikte çok fazla literatür çalışması bulunmayan bir yöntemdir. Adsorpsiyon ise basit işletme teknolojisi, çevre dostu olması ve adsorban çeşitliliği sayesinde tercih edilen bir yöntemdir. Adsorban olarak, metal organik kafesler de dahil olmak üzere, killer, zeolitler, aktif karbon gibi çeşitli adsorbanlar kullanılabilmektedir. Metal organik kafeslerin, geniş yüzey alanı, farklı gözenek boyutuna sahip olabilmeleri gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca, sentezlerinde kullanılan metal ve organik kısımların da çeşitli olması metal organik kafeslere olan ilgiyi arttırmaktadır. Bu çalışmada, UiO67 metal organik kafesin farklı sıcaklık ve sürelerde azot atmosferi altında ısıl işlemden geçirilmesiyle türetilen adsorbanların azotlu bir bileşik olan indolün giderilmesinde kullanılması amaçlanmıştır. UiO67 metal organik kafesi metal kısım olarak zirkonyum, bağlayıcı olarak H2BDC (teraftalik asit), H2PDC (4-4'-bifenil-dikarboksilik asit) ve çözücü olarak DMF (dimetil formamid) kullanılarak sentezlenmiştir. UiO67, 400°C ve 600°C'de 2 ve 6 saat süreyle kül fırınında azot atmosferi altında ısıl işlemden geçilerek UiO67-400(2), UiO67-400(6), UiO67-600(2), ve UiO67-600(6) karbon bazlı adsorbanlar türetilmiştir. Elde edilen adsorbanların karakterizasyonu için taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometresi (FTIR), termogravimetrik analiz (TGA) ve X-ışını difraktometresi (XRD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon işlemlerinde model yakıt olarak kullanılmak üzere [oktan:paraksilen(3:1)] karışımı hazırlanmıştır. Hazırlanan model yakıt içerisine konsantrasyonu 10 mg/L olacak şekilde indol eklenmiştir. Adsorpsiyona etki eden adsorban miktarı, adsorpsiyon süresi, sıcaklık, başlangıç adsorbat konsantrasyonu parametreleri araştırılmış; kinetik ve izoterm çalışmaları gerçekleştirilmiştir. FTIR analizlerinde 400°C'de ısıl işlemden geçirilerek türetilen adsorbanlarda benzen halkası bağlanma bölgesinde (C=C) şiddetli pikler gözlemlenmiştir. Bu durum 400°C'de adsorbandaki nem, organik bağlayıcılar gibi safsızlıkların uzaklaştırıldığını ve aktif bir adsorban türetildiğini göstermektedir. SEM analizlerinde UiO67 adsorbanında küçük kristal yapılar gözlemlenmiştir. Diğer türetilen adsorbanların SEM analizlerinde ise yüzeylerinin düzensiz ve heterojen bir yapıda olduğu görülmüştür. TGA analizlerinde, 500°C sıcaklıktan sonra adsorbanlarda büyük miktarda ağırlık kaybı meydana geldiği gözlemlenmiştir. Adsorban miktarı çalışmalarında, en yüksek adsorpsiyon kapasiteleri 1 mg adsorban miktarında hesaplandığı için adsorpsiyon çalışmalarında 1 mg adsorban kullanılmıştır. Adsorban-adsorbat temas süresi çalışmalarında, adsorbanların adsorbat ile dengeye gelme süresi 120 dakika olarak belirlenmiş ve adsorpsiyon deneyleri 120 dakika süreyle gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık etkisi çalışmalarında, en yüksek adsorpsiyon kapasiteleri 25°C de hesaplandığı için indol adsorpsiyonu 25°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. İzoterm çalışmalarında, 400°C'de ısıl işlemden geçirilerek elde edilen adsorbanların adsorpsiyon kapasitelerinin azot atmosferi altında ısıl işlemden geçirilmemiş UiO67'ye göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. 600°C'de ısıl işlemden geçirilerek türetilen adsorbanlarla ise adsorpsiyonun diğer adsorbanlara göre daha yavaş dengeye geldiği gözlemlenmiştir. Kinetik çalışmalarında indolün UiO67 ve UiO67'den türetilen karbon bazlı adsorbanlar üzerine adsorpsiyonun yalancı birinci kinetik model ile; izoterm çalışmalarında Freundlich ve Dubinin Radushkevich modelleriyle uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır. Desorpsiyon çalışmalarında UiO67-600(6) adsorbanı üzerindeki indol %58.59 verimle giderilmiştir. Geri kazanılan UiO67-600(6) adsorbanıyla yapılan ikinci adsorpsiyonda ise başarılı bir sonuç elde edilememiştir.