Yüksek basınçlı termal gravimetrik analiz ile biyokütle, atıksu arıtma çamuru, plastik ve karışımların piroliz kinetiği ve gazlaştırma reaktivitesinin araştırılması
Investigaton of pyrolysis kinetics and gasification reactivity of biomass, sewage sludge, plastic and mixtures by high pressure thermal gravimetric analysis
- Tez No: 1002356
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Increasing global energy demand, the gradual depletion of fossil fuel resources, and growing environmental concerns have led to an intensified interest in the utilization of biomass and waste-derived resources through thermochemical conversion technologies. Among these technologies, pyrolysis and gasification have emerged as promising and sustainable approaches for both waste management and energy recovery. These processes enable the conversion of low-value or problematic wastes into valuable products such as synthesis gas, liquid fuels, carbon-rich solid materials, and various chemical intermediates. In this context, understanding the thermal conversion behavior of hybrid waste systems containing both biomass and plastics has become increasingly important for improving process efficiency and supporting sustainable energy strategies. Biomass wastes such as rice straw and sewage sludge are produced in large quantities worldwide and often create serious environmental challenges when improperly managed. Rice straw is an abundant agricultural residue with relatively high volatile content, while sewage sludge contains significant inorganic fractions and complex organic structures. On the other hand, plastic wastes such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP) possess high hydrogen and carbon contents, making them attractive feedstocks for thermochemical conversion processes. The co-processing of biomass and plastic wastes can lead to synergistic effects during thermal degradation, improving product distribution and enhancing energy recovery potential. Therefore, investigating the interaction mechanisms between biomass and plastic materials during pyrolysis and gasification is of great importance. In this thesis, the pyrolysis behavior and CO₂ gasification reactivity of rice straw (RS), sewage sludge (SS), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and their composite mixtures were experimentally investigated in detail. First, individual samples of RS, SS, PE, and PP, as well as their binary composite blends, were prepared under controlled conditions. Proximate and ultimate analyses were conducted to determine moisture content, ash content, volatile matter, fixed carbon, and elemental composition. These characterization studies provided essential information regarding the structural and chemical differences between biomass-based and plastic-based materials and allowed evaluation of how plastic addition alters the thermal behavior of biomass mixtures. Thermogravimetric analysis (TGA) experiments were performed using a high-pressure thermogravimetric analyzer to investigate the thermal decomposition characteristics of the prepared samples. TG and DTG curves were obtained under controlled heating conditions, and three major decomposition regions were identified for the biomass-based materials corresponding to hemicellulose, cellulose, and lignin degradation stages. In contrast, plastic samples exhibited sharp decomposition profiles associated with polymer chain scission mechanisms. The differences between decomposition behaviors of biomass and plastics provided insight into the interactions occurring in composite samples. To further evaluate the kinetics of pyrolysis reactions, activation energies were calculated using the Coats–Redfern method. The active pyrolysis regions were determined from DTG curves based on the major volatile release zones. The results indicated that the addition of sewage sludge influenced the decomposition characteristics of the mixtures and reduced the activation energy values in certain temperature ranges. This behavior suggests that radicals formed during the early decomposition of sewage sludge may accelerate polymer chain breakdown and promote overall thermal conversion. Such synergistic effects are particularly important for improving thermochemical conversion efficiency in mixed-waste systems. Following the pyrolysis experiments, char samples obtained under controlled conditions were subjected to CO₂ gasification experiments at temperatures between 900 and 950 °C. Conversion–time curves were generated to evaluate gasification reactivity, initial reaction rates, and high-temperature stability of the produced chars. Gasification behavior is strongly dependent on char structure, surface area, mineral content, and pore development. Therefore, the influence of ash content, inorganic composition, plastic ratio, and effective H/C values on gasification performance was systematically analyzed. The experimental results demonstrated that char derived from sewage sludge exhibited distinct gasification characteristics due to its high mineral content. Inorganic components such as alkali and alkaline earth metals are known to play catalytic roles in gasification reactions, which may enhance reaction rates under certain conditions. Meanwhile, char samples obtained from rice straw–plastic mixtures showed improved pore structure development, contributing to increased gas–solid contact and enhanced conversion performance. These findings confirm that both structural and chemical properties of the feedstock significantly influence gasification reactivity. Gasification is a complex thermochemical process involving several sequential reaction stages, including drying, pyrolysis, partial oxidation, the Boudouard reaction, and steam reforming reactions. Among these stages, the pyrolysis step plays a critical role because it determines the structural properties of the resulting char. Parameters such as heating rate, pressure, residence time, and feedstock composition directly affect char morphology and consequently influence gasification efficiency. In recent years, industrial gasification systems have increasingly shifted toward pressurized operating conditions in order to improve syngas quality and process efficiency. This trend further emphasizes the importance of investigating thermal conversion behavior under controlled conditions. Within the scope of this thesis, pressurized thermogravimetric analysis was employed to simulate realistic thermal conversion environments and to obtain reliable kinetic and reactivity data. Char yields obtained from pyrolysis experiments were compared for different sample compositions, and their gasification performances were evaluated collectively. The combined interpretation of pyrolysis kinetics, char formation characteristics, and gasification reactivity provided a comprehensive understanding of the thermochemical conversion behavior of biomass–plastic composite wastes. The findings of this study indicate that co-processing sewage sludge, rice straw, and plastic wastes has significant potential for sustainable waste-to-energy applications. The results also provide valuable insights for determining optimal feedstock combinations and improving reactor design parameters for integrated pyrolysis–gasification systems. Moreover, the experimental data generated in this thesis contribute to the existing literature by presenting detailed kinetic and reactivity analyses for hybrid waste materials under controlled thermochemical conditions. In conclusion, this thesis presents an integrated experimental investigation of pyrolysis kinetics and CO₂ gasification behavior of biomass–plastic composite wastes using high-pressure thermogravimetric analysis. The results demonstrate that feedstock composition, inorganic content, and polymer structure significantly influence thermal decomposition and gasification performance. The outcomes of this study are expected to support the development of environmentally friendly waste management strategies and to contribute to future research on advanced thermochemical conversion technologies.
Benzer Tezler
- SiC ve SiC-hBN içeren TaB2 seramiklerinin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of SiC and SiC-hBN containing TaB2 ceramics
TAHA CAN YAŞGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İPEK AKIN KARADAYI
- Effect of soft segment length on foam structure of expanded thermoplastic polyurethane (ETPU) bead foams
Yumuşak segment uzunluğunun genleştirilmiş termoplastik poliüretan (ETPU) tanecik köpük yapısına etkisi
BİGE BATI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR
- Preparation and characterization of aliphatic cyclopolymer derived membranes for water treatment
Su arıtımı için alifatik siklopolimer türevli membranların hazırlanması ve karakterizasyonu
NİHAN BİRGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ÜNAL
DR. SELDA ERKOÇ İLTER
- Natural gas purification by zeolite filled polyethersulfone based mixed matrix membranes
Zeolit katkılı polietersülfon karışık matrisli membranlar ile doğal gazın saflaştırılması
ÜLGEN ÇAKAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİL KALIPÇILAR
PROF. DR. LEVENT YILMAZ
- Triizopropanolaminborat esteri sentezi ve teknolojik amaç karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
FERDİ ÖZER