Polylactic acid recycling with environmentally benign fluids
Polilaktik asitin çevreye zararı olmayan çözücülerle geri dönüşümü
- Tez No: 718175
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇERAĞ DİLEK HACIHABİBOĞLU, PROF. DR. NAİME ASLI SEZGİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 160
Özet
Geçtiğimiz son 10 yılda, petrol bazlı polimerler çevresel problemlere neden olduğu için petrol bazlı polimerlerin yerini biyobozunur polimerler almaktadır. Polilaktik asit (PLA) biyobozunur ve biyouyumlu yapısı ve uygun mekanik ve ısıl özellikleri nedeniyle bu yer değiştirme için güçlü bir aday olarak görülmektedir. PLA'nın kullanımının ve PLA'ya olan ihtiyacın artmasıyla yakın gelecekte PLA atık problemi olacaktır. PLA biyobozunur polimerler sınıfında yer almasına rağmen, bu bozunumu sağlayabilen sadece birkaç tip mikroorganizma bulunmakta olup bu mikroorganizmalar da her toprakta bulunmamaktadır. Ayrıca, PLA'nın biyobozunumu için nispeten yüksek sıcaklık ve nem gibi koşulların sağlanması gerekmektedir. PLA'nın bozunumu için var olan mevcut teknikler henüz tam olarak geliştirilmemiştir ve bozunma teknikleri hala araştırılmakta ve geliştirilmektedir. Bu yüzden, bu çalışmanın amacı PLA atık sorununa etkili ve çevreye duyarlı bir çözüm sunmaktır. Bu çalışmada, PLA'nın bozunum reaksiyonu derin ötektik çözücü (DÖÇ) ortamında kesikli ve yarı kesikli olarak iki farklı sistemde gerçekleştirilmiştir. Tüm bozunma deneyleri 180°C'de 8 saat boyunca gerçekleştirilmiştir. Çinko klorür-etilen glikol DÖÇ sentezlenip karakterize edilerek, PLA bozunum reaksiyonunda ortam olarak kullanılmıştır. Çinko klorür ve etilen glikol arasındaki kompleksleşme, etilen glikolün FTIR spektrumundaki 3390 cm-1'deki pikinin kayması ile doğrulanmıştır. Katalizör olarak alüminyum yüklü silika aerojel sentezlenip karakterize edilerek PLA'nın bozunumu reaksiyonda kullanılmıştır. Destek malzeme sol-jel metodu ile üretilmiştir ve alüminyum yapıya ıslak emdirme yöntemi ile yüklenmiştir. Alüminyum, silika aerojel desteğine ağırlıkça %15 ve %25 yüklenmiştir (sırayla, SAUAl15 ve SAUAl25). Her ikisi de PLA'nın ısıl bozunma reaksiyonunun aktivasyon enerjisini düşürmüştür ancak SAUAl15 aktivasyon enerjisini ve bozunma sıcaklığını düşürme açısından daha iyi performans göstermiştir. SAUAl15 aktivasyon enerjisini 262 kJ/mol'den 193 kJ/mol'e düşürürken, SAUAl25 aktivasyon enerjisini 262 kJ/mol'den 238 kJ/mol'e düşürmüştür. Kesikli reaktörde çinko klorür-etilen glikol DÖÇ'te PLA bozunumu reaksiyonunun ürün dağılımı GC-MS analizi ile incelenmiştir. Ayrıca PLA bozunma reaksiyonu ile aynı koşullarda DÖÇ'ün bozunması da araştırılmıştır ve bozunma ürünleri PLA bozunma ürünlerinden ayırt edilmiştir. Dioksan, dekan ve undekan, DES'in bozunmasıyla oluşan ana ürünlerdir. PLA bozunma reaksiyonunda oluşan ana ürünler dietilen glikol, trietilen glikol ve asetik asit hidrazino etil esterdir. Bu ürünlere ek olarak etil laktat ve 3-metil-2-hekzanon oluşmuştur. SAUAl15'in ürün dağılımına olan etkisi ve çinko klorür-etilen glikol DÖÇ ile olan etkileşimi incelenmiştir. Katalizör kullanımı ile etil laktat miktarı iki kat artmıştır. Yarı kesikli reaktörde gerçekleştirilen çinko klorür-etilen glikol DÖÇ'te PLA bozunma reaksiyonunun ürün dağılımı da GC-MS analizleri ile incelenmiştir. PLA bozunması ile oluşan başlıca ürünler 2-pentanol asetat, 3(2H)-furanon dihidro-2-metil ve etil laktat iken, DES bozunması ile oluşan ana ürünler 1,3-dioksolan, 2,2- dimetil ve dioksandır. SAUAl15'in ürün dağılımına olan etkisi incelenmiştir. Katalizör kullanımı ile 1,3-dioksolan, 2,2,4,5-tetrametil yeni oluşmuş, dioksan ve 3(2H)-furanon dihidro-2-metil miktarları artmıştır. Gaz ürün analizleri GC analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Tüm deneylerde, hidrojen ve karbon dioksit ana gaz ürünler olarak tespit edilmiştir. Yarı kesikli sistemde DÖÇ bozunma reaksiyonu için DÖÇ'ün dönüşümü %35,4'tür. PLA bozunma reaksiyonunda PLA dönüşümü %97,3 olarak hesaplanmıştır. PLA'dan elde edilen gaz ve sıvı ürünlerin ve reaktördeki katı kısım verimleri sırasıyla %56,8, %40,5 ve %2,6 olarak bulunmuştur. PLA katalitik bozunma reaksiyonunda PLA'nın dönüşümü %97'dir. PLA katalitik bozunmasından kaynaklanan gaz ve sıvı ürünler ve katı kısım verimleri sırasıyla %59,5, %37,4 ve %3,1 olarak hesaplanmıştır. Reaksiyon ortamı olarak çinko klorür-etilen glikol DÖÇ kullanılarak PLA bozundurulmuş ve katma değeri yüksek ürünler elde edilmiştir. Alüminyum yüklü silika aerojel katalizörleri, PLA bozunma reaksiyonunda umut verici bir aktivite göstermiştir.
Özet (Çeviri)
In the past few decades, petroleum-based polymers have been replaced by biodegradable polymers since they bring about environmental problems. Polylactic acid (PLA) is a good candidate for this replacement due to its biocompatible and biodegradable nature and favorable mechanical and thermal properties. Due to the increase in usage and demand, there will be a PLA waste problem in the near future. Although PLA is classified as a biodegradable polymer, only a few microorganisms, which are not present in all soil types, can degrade PLA. In addition, relatively high temperature and humidity conditions should be provided for PLA biodegradation. The existing techniques for PLA degradation have not been fully developed yet, and degradation techniques are still being researched and developed. Hence, the aim of this study is to present an effective and environmentally benign solution for the PLA waste problem. In this study, the PLA degradation reaction was carried out in a deep eutectic solvent (DES) medium in two different systems with batch and semi-batch reactors. All degradation experiments were performed at 180°C for 8 hours. Zinc chloride-ethylene glycol DES was synthesized, characterized, and used as a reaction medium in the degradation reaction of PLA. The complexation between zinc chloride and ethylene glycol was verified by shifting of the peak at 3390 cm-1 in the ethylene glycol FTIR spectrum. As a catalyst, aluminum-loaded silica aerogel was synthesized, characterized, and used in PLA degradation reaction. The support material was synthesized using the sol-gel method, and aluminum was loaded via the wet impregnation technique. Aluminum was loaded into silica aerogel supports in 15 and 25 weight percentages (SAUAl15 and SAUAl25, respectively). Both of them decreased the activation energy of the thermal degradation reaction of PLA, but SAUAl15 performed better in decreasing activation energy and degradation temperature. SAUAl15 decreased the activation energy from 262 kJ/mol to 193 kJ/mol, whereas SAUAl25 decreased the activation energy from 262 kJ/mol to 238 kJ/mol. The product distribution of the PLA degradation reaction in zinc chloride-ethylene glycol DES in the batch reactor was investigated with GC-MS analyses. Degradation of DES in the same reaction conditions as that of PLA degradation reaction was also investigated, and its degradation products were distinguished from PLA degradation products. Dioxane, decane and undecane were the main products formed by the degradation of DES. The main products formed in the PLA degradation reaction were diethylene glycol, triethylene glycol, and acetic acid hydrazino ethyl ester. In addition to these products, ethyl lactate and 3-methyl-2-hexanone were formed. The effect of SAUAl15 on product distribution and its interaction with zinc chloride-ethylene glycol DES was investigated. Ethyl lactate amount increased by two-fold with the usage of catalyst. The product distribution of PLA degradation reaction in zinc chloride-ethylene glycol DES carried out in the semi-batch reactor was also investigated with GC-MS analyses. 2-pentanol acetate, 3(2H)-furanone dihydro-2-methyl, and ethyl lactate were the main products formed by PLA degradation, while 1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl, and dioxane were the main products formed by DES degradation. The effect of SAUAl15 on product distribution was investigated. With the usage of catalyst, 1,3-dioxolane, 2,2,4,5-tetramethyl was newly formed, and amounts of dioxane and 3(2H)-furanone dihydro-2-methyl increased. Analyses of gas products were carried out with GC analyses. In all experiments, hydrogen and carbon dioxide were mainly detected as gas products. In the semi-batch system, for DES degradation reaction, conversion of DES was 35.4%. In PLA degradation reaction, conversion of PLA was calculated as 97.3%. Yields of gas and liquid products and solid part in the reactor resulting from PLA were found to be 56.8%, 40.6%, and 2.6%, respectively. In PLA catalytic degradation reaction, conversion of PLA was 97%. Yields of gas and liquid products and solid part resulting from PLA catalytic degradation were calculated as 59.50 %, 37.4%, and 3.1%, respectively. Using zinc chloride-ethylene glycol DES as reaction medium, PLA was degraded and value-added products were obtained. Aluminum loaded silica aerogel catalysts showed promising activity in the PLA degradation reaction.
Benzer Tezler
- Extraction of polylactic acid degradation products with supercritical carbon dioxide
Polilaktik asit bozunması sonucu oluşan ürünlerin süperkritik karbondioksit ile özütlenmesi
SÜMEYYE KOÇAK BÜTÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇERAĞ DİLEK HACIHABİBOĞLU
PROF. DR. NAİME ASLI SEZGİ
- Çeşitli sektörler uygulamaları için doğal kaynaklı malzemelerle ekonomik ve işlevsel kompozitlerin geliştirilmesi
Development of economical and functional composites with naturally sourced materials for various industry applications
NİLDA ÖZSOY
Doktora
Türkçe
2023
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiMarmara ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN SANCAK
- Otomotiv sektörüne yönelik bitki esaslı kompozit malzeme üretimi ve mekanik karakterizasyonu
Production and mechanical characterization of biocomposites for automotive industry
ALPER DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Polimer Bilim ve TeknolojisiBursa Teknik ÜniversitesiBiyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN LEKESİZ
- Induced crystalline fiber-like structure as reinforcement in PLA products through applied shear in injection molding
Enjeksiyon kalıplama işleminde uygulanan kesme yoluyla PLA ürünlerinde takviye olarak indüklenmiş kristal lif benzeri yapı
KERİM ERASLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Recycling of polymer waste using different techniques
Çeşitli teknikler kullanılarak polimer atıkların geri dönüşümü
SEDA SİVRİ
Doktora
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAİME ASLI SEZGİ
DOÇ. DR. ÇERAĞ DİLEK HACIHABİBOĞLU