Yüksek basınçlı termal gravimetrik analiz ile biyokütle, atıksu arıtma çamuru, plastik ve karışımların piroliz kinetiği ve gazlaştırma reaktivitesinin araştırılması

Abstract

Artan küresel enerji ihtiyacı, fosil yakıt kaynaklarının giderek azalması ve çevresel kaygıların artması, biyokütle ve atık kökenli kaynakların termokimyasal dönüşüm teknolojileri ile değerlendirilmesine olan ilgiyi artırmıştır. Bu teknolojiler arasında piroliz ve gazlaştırma, hem atık yönetimi hem de enerji geri kazanımı açısından sürdürülebilir ve etkili yöntemler olarak öne çıkmaktadır. Bu süreçler sayesinde düşük ekonomik değere sahip veya çevresel açıdan sorun oluşturan atıklar; sentez gazı, sıvı yakıtlar, karbonca zengin katı ürünler ve çeşitli kimyasal ara ürünlere dönüştürülebilmektedir. Bu bağlamda, biyokütle ve plastik içeren hibrit atık sistemlerinin ısıl dönüşüm davranışlarının anlaşılması, proses verimliliğinin artırılması ve sürdürülebilir enerji stratejilerinin geliştirilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Pirinç sapı ve atıksu arıtma çamuru gibi biyokütle kaynaklı atıklar dünya genelinde yüksek miktarlarda oluşmakta ve uygun şekilde yönetilmediklerinde ciddi çevresel problemlere yol açmaktadır. Pirinç sapı yüksek uçucu madde içeriğine sahip bir tarımsal atık olup, atıksu arıtma çamuru ise yüksek inorganik içerik ve karmaşık organik yapı özellikleri göstermektedir. Buna karşılık polietilen (PE) ve polipropilen (PP) gibi plastik atıklar yüksek karbon ve hidrojen içerikleri nedeniyle termokimyasal dönüşüm prosesleri için önemli bir enerji potansiyeli taşımaktadır. Biyokütle ve plastik atıkların birlikte işlenmesi, ısıl bozunma sırasında sinerjik etkiler oluşturarak ürün dağılımını iyileştirebilmekte ve enerji geri kazanım verimini artırabilmektedir. Bu nedenle biyokütle–plastik etkileşim mekanizmalarının incelenmesi önemli bir araştırma alanıdır. Bu tez çalışmasında pirinç sapı (RS), atıksu arıtma çamuru (SS), polietilen (PE), polipropilen (PP) ve bunların oluşturduğu kompozit karışımların piroliz davranışları ile CO₂ atmosferindeki gazlaştırma reaktiviteleri deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında RS, SS, PE ve PP numuneleri ile bu bileşenlerin ikili karışımları hazırlanmıştır. Numuneler üzerinde yaklaşık analiz ve elementel analiz yapılarak nem, kül, uçucu madde, sabit karbon ve elementel bileşim değerleri belirlenmiştir. Bu karakterizasyon çalışmaları biyokütle ve plastik numuneler arasındaki kimyasal ve yapısal farklılıkların ortaya konmasını sağlamış ve plastik ilavesinin biyokütle davranışı üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesine imkân vermiştir. Hazırlanan numunelerin termal bozunma davranışlarının belirlenmesi amacıyla yüksek basınçlı termogravimetrik analiz (TGA) deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kontrollü ısıtma koşullarında elde edilen TG ve DTG eğrileri incelenerek biyokütle numuneleri için hemiselüloz, selüloz ve lignin bozunmasına karşılık gelen üç temel ayrışma bölgesi belirlenmiştir. Plastik numunelerde ise polimer zincir kırılmasına bağlı olarak daha keskin bozunma profilleri gözlenmiştir. Biyokütle ve plastiklerin farklı ayrışma karakterleri, kompozit numunelerde meydana gelen etkileşimlerin anlaşılması açısından önemli bilgiler sağlamıştır. Piroliz kinetiğinin değerlendirilmesi amacıyla aktivasyon enerjileri Coats–Redfern yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Aktivasyon enerjisi hesaplamalarında DTG eğrilerinden belirlenen aktif piroliz bölgeleri esas alınmıştır. Elde edilen sonuçlar, özellikle atıksu arıtma çamuru içeren karışımlarda aktivasyon enerjisinin belirli sıcaklık aralıklarında azaldığını göstermiştir. Bu durum, atıksu arıtma çamurunun erken bozunma aşamalarında oluşan radikallerin plastik polimer zincirlerinin parçalanmasını hızlandırabileceğini ve böylece termal dönüşüm süreçlerini kolaylaştırabileceğini göstermektedir. Piroliz deneyleri sonrasında elde edilen çar numuneleri, 900–950 °C sıcaklık aralığında CO₂ atmosferinde gazlaştırılmıştır. Gazlaştırma davranışının değerlendirilmesi amacıyla dönüşüm–zaman eğrileri oluşturulmuş ve başlangıç reaksiyon hızları ile yüksek sıcaklık kararlılıkları analiz edilmiştir. Gazlaştırma performansı büyük ölçüde çarın yüzey yapısı, gözeneklilik, mineral içerik ve kimyasal bileşime bağlıdır. Bu nedenle kül oranı, inorganik içerik, plastik oranı ve etkin H/C değerlerinin gazlaştırma üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, atıksu arıtma çamurundan elde edilen çarların yüksek mineral içeriği nedeniyle belirgin gazlaştırma özellikleri gösterdiğini ortaya koymuştur. Alkali ve toprak alkali metaller gibi inorganik bileşenlerin gazlaştırma reaksiyonlarında katalitik etki gösterebildiği bilinmektedir. Bunun yanında pirinç sapı–plastik karışımlarından elde edilen çarların daha gelişmiş gözenek yapısına sahip olduğu ve bunun gaz–katı temasını artırarak dönüşüm performansını iyileştirdiği görülmüştür. Bu sonuçlar, hammadde yapısının gazlaştırma reaktivitesi üzerinde doğrudan etkili olduğunu göstermektedir. Gazlaştırma; kurutma, piroliz, kısmi oksidasyon, Boudouard reaksiyonu ve buhar reformlama gibi ardışık reaksiyon aşamalarından oluşan karmaşık bir termokimyasal süreçtir. Bu aşamalar arasında piroliz basamağı kritik bir öneme sahiptir çünkü oluşan çarın yapısal özellikleri gazlaştırma performansını doğrudan belirlemektedir. Isıtma hızı, basınç, bekleme süresi ve hammadde bileşimi gibi parametreler çar morfolojisini etkileyerek gazlaştırma verimini değiştirmektedir. Son yıllarda endüstriyel gazlaştırma sistemlerinin basınçlı çalışma koşullarına yönelmesi, bu tür çalışmaların önemini artırmaktadır. Bu tez kapsamında basınçlı termogravimetrik analiz kullanılarak gerçek proses koşullarına yakın deneysel veriler elde edilmiştir. Farklı numune bileşimleri için çar verimleri karşılaştırılmış ve gazlaştırma performansları birlikte değerlendirilmiştir. Piroliz kinetiği, çar oluşumu ve gazlaştırma reaktivitesinin birlikte yorumlanması, biyokütle–plastik kompozit atıkların termokimyasal dönüşüm davranışlarının bütüncül şekilde anlaşılmasını sağlamıştır. Elde edilen bulgular, pirinç sapı, atıksu arıtma çamuru ve plastik atıkların birlikte değerlendirilmesinin sürdürülebilir enerji üretimi açısından önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca çalışma sonuçları, optimum hammadde karışımlarının belirlenmesi ve daha verimli piroliz–gazlaştırma sistemlerinin tasarlanması için değerli veriler sunmaktadır. Bu tez, hibrit atıkların termokimyasal dönüşümüne yönelik kinetik ve reaktivite analizleri ile literatüre katkı sağlamaktadır. Sonuç olarak bu tez çalışması, biyokütle–plastik kompozit atıkların piroliz kinetiği ve CO₂ gazlaştırma davranışlarının yüksek basınçlı termogravimetrik analiz yöntemi kullanılarak kapsamlı şekilde incelendiği deneysel bir araştırma sunmaktadır. Elde edilen sonuçlar, hammadde bileşimi, mineral içerik ve polimer yapısının termal bozunma ve gazlaştırma performansı üzerindeki belirleyici etkilerini ortaya koymaktadır. Çalışmanın, çevre dostu atık yönetimi stratejilerinin geliştirilmesine ve ileri termokimyasal dönüşüm teknolojilerine yönelik gelecekteki araştırmalara katkı sağlaması beklenmektedir.