Catalytic role of low-cost natural minerals in sewage sludge gasification using different gasifying agents for hydrogen-enriched syngas production
Düşük maliyetli doğal minerallerin, hidrojenle zenginleştirilmiş sentez gazı üretimi için farklı gazlaştırma ajanları kullanılarak arıtma çamurunun gazlaştırılmasında katalitik rolü
- Tez No: 1001391
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI, PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Arıtma çamuru, Biyokütle enerjisi, Treatment sludge, Biomass energy
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Atıksu arıtma tesisi işlemlerinin bir yan ürünü olan arıtma çamuru, artan kentleşme, sanayi faaliyetleri ve nüfus artışı nedeniyle giderek büyüyen çevresel bir sorun haline gelmiştir. Bu durum, arıtma çamurunun düşük maliyetli, enerji verimli ve sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesine yönelik bir acil ihtiyacı ortaya çıkarmıştır. Alternatif arıtma ve enerji geri kazanım teknolojilerine olan ilgiyi artıran bu bağlamda, ısıl dönüşüm teknolojileri arasında gazlaştırma, yakma ve piroliz gibi yöntemler önemli bir potansiyele sahiptir. Özellikle gazlaştırma, hem enerji verimliliği hem de yüksek katma değerli ürünlerin üretimi açısından avantajlı bir termokimyasal süreç olarak öne çıkmaktadır. Arıtma çamurunun gazlaştırma yoluyla değerlendirilmesi, sürdürülebilir atık yönetimi açısından kritik bir rol oynamaktadır. Bu atığın yüksek katma değerli ürünlere dönüştürülmesi, hem düzenli depolama ihtiyacını ve sera gazı emisyonlarını azaltmakta hem de kaynak geri kazanımı ve enerji üretimi yoluyla döngüsel ekonomi ilkeleriyle uyum sağlamaktadır. Bu çalışmada, arıtma çamurunun gazlaştırma teknolojisi ile sentez gazı üretimi amacıyla değerlendirilmesi hedeflenmiş; doğal mineraller (dolomit, olivin ve limonit) ile nikel emdirilmiş biyoçarın katalitik etkileri araştırılmıştır. Gazlaştırma deneyleri, laboratuvar ölçekli sabit yataklı reaktör ve pilot ölçekli akışkan yataklı reaktör olmak üzere iki farklı sistemde gerçekleştirilmiştir. Sabit yataklı reaktörde altı farklı gazlaştırma ortamı (hava, buhar, CO2, buhar-hava, buhar-CO2 ve CO2-hava) kullanılmış; akışkan yataklı reaktörde ise hava ve buhar-hava ortamlarında deneyler yapılmıştır. Ayrıca, fındık kabuğunun farklı oranlarda arıtma çamuruna ilavesinin gazlaştırma performansı üzerindeki etkisi, akışkan yataklı reaktörde hava ortamında araştırılmış ve en iyi karışım oranı belirlenmiştir. Belediye atıksu arıtma tesislerinden temin edilen çamur numuneleri; kısa analiz, elementel analiz, kalorifik değer tayini, kül ergime testi, X-ışını floresans, termogravimetrik analiz ve fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi gibi kapsamlı analitik tekniklerle karakterize edilmiştir. Elde edilen bulgulara göre, arıtma çamurunun yüksek organik madde ve kalorifik değeri sayesinde gazlaştırma için uygun bir hammadde olduğu belirlenmiştir. Sabit yataklı reaktörde, buhar-hava koşullarında %88 karbon dönüşümü elde edilmiş, katalitik minerallerin varlığında bu oran %99'un üzerine çıkmıştır. Katalizörsüz deneylerde sentez gazı verimi %14.4, biyoçar ısıl değeri ise 1.9 MJ/kg olarak ölçülmüştür. Katalitik gazlaştırma koşullarında ise sentez gazı verimi %15.4-17.0 olarak elde edilirken, biyoçarın ısıl değeri 0.1-0.2 MJ/kg olarak kaydedilmiştir. Bu bulgular, katalizör kullanımının gazlaştırma sürecinin verimliliğinde önemli iyileşmeler sağladığını göstermektedir. Ürün gazındaki CH4 ve C2-C5 bileşenlerinin azalması, katalitik minerallerin katran reformlama aktivitesini artırdığını ve bunun da hidrojen üretimini desteklediğini göstermektedir. Gazlaştırma verimliliği ayrıca toplam gaz ürününde H2, CO, CO2, CH4 C2-C5'ten oluşan sentez gazı yüzdesiyle de değerlendirilebilmektedir. En yüksek sentez gazı oranı %19.95 ile CO2-hava koşullarında elde edilirken, yalnızca CO2 kullanılan deneyde bu oran %11.00 seviyesinde kalmıştır. CO2 ortamına buhar ilavesiyle bu oran %14.50'e yükselmiş; bu durum, biyoçar-H2O(g) reaksiyonunun biyoçar-CO2 reaksiyonuna kıyasla daha yüksek reaktiviteye sahip olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, katalizörlerin atık su çamuruna dahil edilmesinin, akışkan yataklı reaktörde sentez gazı kalitesini ve gazlaştırma performansını artırdığını, aynı zamanda yatak topaklanmasını ve buna bağlı operasyonel zorlukları etkili bir şekilde azalttığını göstermiştir. Gazlaştırma ajanı olarak havanın kullanıldığı gazlaştırma koşulları altında, tüm katalizörler proses performansını farklı derecelerde iyileştirmiştir. Ni-bazlı katalizör ilavesi sentez gazında %13.03 ile en yüksek H2 içeriğini ve 1.57 ile H2/CO oranını sağlarken, olivin en yüksek CH4 üretimini (%6.39) sağlamış ve 6.73 MJ/m3 ile en yüksek ısıl değerini ve %71 ile soğuk gaz verimliliğini elde ederek genel enerji geri kazanımına güçlü katkısını göstermiştir. Gazlaştırma ajanı olarak havaya buhar eklenmesi, reformasyon ve su-gaz kayması reaksiyonlarının iyileştirilmesine neden olduğundan dolayı, sentez gazı kalitesi açısından gazlaştırma performansını arttırmıştır. Buhar ilavesi, H2 üretimini %8.36'dan %19.28'e, H2/CO oranını 0.99'dan 2.14'e ve sentez gazının ısıl değerini 5.44 MJ/m3'ten 8.31 MJ/m3'e yükseltmiştir. Buhar-hava gazlaştırması altında, dolomit destekli gazlaştırma %21.72 ile sentez gazında en yüksek H2 içeriğini sağlarken, olivin katalizli gazlaştırma %8.87 ile en yüksek CH4 değerini üretmiştir. Gazlaştırma verimliliği açısından, olivin karışımlı gazlaştırma, buhar-hava koşulları altında en uygun performansı sergileyerek 7.08 MJ/Nm3 (13.4 MJ/Nm3, N2 içermeyen) ısıl değer, %85 soğuk gaz verimi ve %79.25 karbon dönüşümü değerlerine ulaşmıştır. Bu sonuçlar, akışkan yataklı sistemlerde atık su çamuru gazlaştırma performansını optimize etmede katalizör seçimi ve gazlaştırma atmosferinin kritik rolünü vurgulamaktadır. Hava ve buhar-hava atmosferlerinde yapılan arıtma çamuru gazlaştırma çalışmalarından elde edilen uçucu kül ve yatak külü kimyasal bileşimi açısından değerlendirildiğinde, başlıca SiO2, P2O5, CaO ve Al2O3 bileşenlerinden oluşmaktadır. Her iki gazlaştırma ortamında yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen yatak külü ve uçucu küllere yapılan karakterizasyon analiz sonuçları göz önüne alındığında, test edilen katalizörler arasında olivin, her iki kül örneklerinde en düşük uçucu madde ve sabit karbon oranlarını sağlayarak yüksek oranda karbon dönüşümü göstermiştir. Buna karşılık, Ni-bazlı katalizör kullanımında daha yüksek uçucu madde ve sabit karbon oranları elde edilmiştir. Ayrıca, katalizör ilavesinin operasyonel zorluklara neden olan aglomerasyon oluşumunu önemli ölçüde azalttığı gözlemlenmiştir. Katran analizi açısından değerlendirildiğinde, tüm katalizörler arasında olivin, en verimli katran dönüşümünü sağlayarak GC-MS pik alanlarını en düşük seviyeye indirmiş ve katran bileşiklerini parçalama ve yeniden şekillendirme konusunda güçlü bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Akışkan yataklı gazlaştırmada değerlendirilen tüm katalizörler arasında olivin, katran reformlama etkinliğini en üst düzeye çıkararak en yüksek sentez gazı verimini ve genel gazlaştırma verimliliğini sağlamada en etkili katalizör olarak öne çıkmıştır. Akışkan yataklı reaktörde yapılan gazlaştırma deneylerinde, arıtma çamuruna fındık kabuğu ilavesi gazlaştırma performansını önemli ölçüde etkilemiştir. Arıtma çamuru ve fındık kabuğu karışımlarının 100:0, 75:25, 50:50, 25:75 ve 0:100 oranlarında gazlaştırılması araştırılmıştır. %75 arıtma çamuru/%25 fındık kabuğu oranı; sentez gazı kalitesi bakımından en yüksek H2 (%9.17), CH4 (%4.84) ve CO (%9.91) gazları içeriğine sahip olup enerji verimliliği (soğuk gaz verimi: %67.7 ve ısıl değeri:5.88 mj/m3) açısından da en iyi sonuçları vermiştir. İki reaktör tipinin karşılaştırılmasında, akışkan yataklı reaktörde çamur gazlaştırması, gaz-katı etkileşiminin artması ve üstün ısı ve kütle transferi sayesinde, sabit yataklı reaktöre kıyasla daha yüksek yanıcı gaz içeriğine ve daha yüksek ısıl değere sahip sentez gazı üretmiştir. Buhar ilavesi, akışkan yataklı reaktörde hidrojen üretimini belirgin şekilde artırırken, sabit yataklı sistemde etkisi ihmal edilebilir düzeyde kalmıştır; bu durum muhtemelen sürekli maruz kalma altında buhar kaynaklı katalizör deaktivasyonundan kaynaklanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Sewage sludge, a by-product of wastewater treatment plant operations, presents a growing environmental challenge due to increasing urbanization, industrial activities and population growth. The urgent demand for cost-effective, energy-efficient and sustainable management strategies for sewage sludge has driven the search for alternative treatment technologies. Among them, thermal conversion methods offer promising solutions, especially gasification emerges as the most advantageous thermochemical process compared to incineration and pyrolysis. The valorization of sewage sludge through gasification plays a critical role in sustainable waste management. Converting sludge into high value-added products not only reduces landfill dependency and greenhouse gas emissions but also aligns with circular economy principles by enabling resource recovery and energy generation. This study focuses on the gasification of sewage sludge for syngas production, specifically investigating the catalytic effects of natural minerals (dolomite, olivine and limonite) and nickel-impregnated biochar. Gasification experiments were conducted in a fixed-bed tubular reactor at laboratory scale and a fluidized-bed reactor at pilot scale. Six different gasifying agents (air, steam, CO2, steam-air, steam-CO2 and CO2-air) were tested in the fixed-bed reactor, while fluidized-bed experiments were performed under air and steam-air conditions. Additionally, the effect of incorporating hazelnut shell into sewage sludge at varying ratios was examined under air gasification in the fluidized-bed reactor to identify an optimal blending ratio. Sewage sludge samples, collected from municipal wastewater treatment plants, were characterized using analytical techniques, including proximate and ultimate analysis, calorimetry, ash fusion tests, X-ray fluorescence, thermogravimetric analysis and fourier transform infrared spectroscopy analysis. Based on the characterization results, sewage sludge was identified as a suitable feedstock for gasification processes due to its high organic content and calorific value. In the fixed bed gasification, the best results regarding the carbon conversion of 88% were obtained in steam-air condition whereas carbon conversion exceeded 99% in the presence of catalytic minerals. The low calorific value of the char samples in 0.1-0.2 MJ/kg and high syngas yields of 15.4-17.0% in total upon catalytic gasification supported the improved efficiencies in comparison to the noncatalytic situation with 1.9 MJ/kg and 14.4%, respectively. CH4 and C2-C5 compounds in the product gas have been reduced in the presence of catalytic minerals as an indication of the increased tar reforming activity favoring hydrogen production. Gasification efficiency can be also assessed by the percentage of syngas consisting of H2, CO, CO2, CH4 and C2-C5s in the total gas yield. The highest syngas percentage of 19.95% was observed under CO2-air condition, while CO2 alone resulted in the lowest value of 11.00%. The addition of steam to CO2 improved this value to 14.50%, which is consistent with the higher reactivity of the char-H2O(g) reaction compared to char-CO2. This study demonstrated that the incorporation of catalysts into sewage sludge enhances syngas quality and gasification performance in the fluidized-bed reactor, while also effectively decreasing bed agglomeration and associated operational challenges. Under air gasification conditions, all catalysts improved process performance to varying degrees. The Ni-based catalyst addition provided the highest H2 content of 13.03% and H2/CO ratio of 1.57, whereas olivine achieved the highest CH4 formation (6.39%) and resulted in the highest heating value of 6.73 MJ/m3 and cold gas efficiency (CGE) of 71% , indicating its strong contribution to overall energy recovery. The introduction of steam to air improved gasification performance in terms of syngas quality, consistent with the enhancement of reforming and water-gas shift reactions. Steam addition inceased the H2 production from 8.36% to 19.28%, H2/CO from 0.99 to 2.14 and higher heating value (HHV) of syngas from 5.44 MJ/m3 to 8.31 MJ/m3. Under steam-air gasification, dolomite assisted gasification yielded the highest H2 content of 21.72%, while the olivine-catalyzed gasification produced the highest CH4 fraction of 8.87%. In terms of gasification efficiency, the olivine-mixed gasification exhibited the most favorable performance under steam-air conditions, achieving an HHV of 7.08 MJ/Nm3 (13.41 MJ/Nm3, N2-free), a CGE of 85% and a CCE of 79.25%. These results highlight the critical role of catalyst selection and gasifying atmosphere in optimizing sewage sludge gasification performance in fluidized-bed systems. In terms of chemical composition of fly ash and bottom ash from sewage sludge gasification, the major components were SiO2, P2O5, CaO, and Al2O3 of under air and steam-air atmospheres. Considering the proximate analysis results of the ash samples obtained in both gasification atmospheres, among the catalysts tested, olivine demonstrated the most efficient performance by achieving the lowest volatile and fixed carbon contents in both of bottom and fly ashes, suggesting superior carbon conversion. In contrast, the Ni-based catalyst resulted in higher volatile and fixed carbon contents. Regarding tar analysis, among all catalysts, olivine enabled the most efficient tar transformation, exhibiting the minimal overall GC-MS peak area and indicating its strong ability for degrading and reforming tar compounds. Among all the catalysts evaluated in the fluidized gasification, olivine proved to be the most effective catalyst in promoting tar reforming, resulting in the highest syngas yield and improved overall gasification efficiency. In the fluidized bed gasification, blending sewage sludge with hazelnut shell influenced gasification performance. The gasification of blended sewage sludge and hazelnut shell was investigated at varying blending ratios 100:0, 75:25, 50:50, 25:75 and 0:100. The 75:25 SS:HS ratio yielded the best results in syngas quality in terms of the highest H2 (9.17%), CH4 (4.84%) and CO (9.91%) contents and energy efficiency (CGE:67.7 % and HHV:5.88 Mj/m3). In the comparison of the two reactor types, sludge gasification yielded syngas with a greater combustible gas content and higher higher heating value in the fluidized-bed reactor than in the fixed-bed reactor, attributable to enhanced gas-solid interaction and superior heat and mass transport. Steam addition markedly enhanced hydrogen production in the fluidized-bed reactor, while its impact was negligible in the fixed-bed system, likely due to steam-induced catalyst deactivation under continuous exposure.
Benzer Tezler
- A3B tipi yeni asimetrik ftalosiyaninler
New kinds of A3B-type unsymmetrical phthalocyanines
PINAR BUYUK
- Catalytic cracking of waste cooking oils using low cost catalysts
Atık yağların ucuz katalizörler kullanılarak katalitik krakingi
KAMİL SERKAN UZYOL
Doktora
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK KAZAN
DOÇ. DR. SELİM CEYLAN
- Sulardan selenyum ve doğal organik maddenin çeşitli doğal ve endüstriyel atık malzemeler kullanılarak giderilmesi
Removal of selenium and natural organic matter from waters using various natural particles and industrial waste materials
SEDA TÖZÜM AKGÜL
Doktora
Türkçe
2015
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVZAT ÖZGÜ YİĞİT
- Yüzeyleri modifiye olmuş çeşitli adsorbanlarla doğal organik madde giderimi
Removal of natural organic matter using various surface-modified adsorbents
ŞEHNAZ ŞULE KAPLAN BEKAROĞLU
Doktora
Türkçe
2010
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET KİTİŞ
- C2-simetrik kiral fosfinit ligandların sentezi, Pd(II)ve Ru(II) komplekslerinin asimetrik katalizdeki etkinliklerinin incelenmesi
Synthesis of C2-symmetric chiral phosphinite ligands,investigation of catalytic activity of their Pd(II) and Ru(II) complexes in asymmetric reactions
DUYGU ELMA