Post-combustion carbon dioxide (CO2) capture with biomass derived activated carbon
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2021
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: AYŞE SEVER AKDAĞ
Danışman: Gülen Güllü
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Sera gaz emisyonlarının azaltımı için karbondioksit (CO2) yakalama ve depolama vazgeçilmezdir. Yanma sonrası yakalama, CO2'yi yakalamak için en umut verici teknolojilerden biridir, çünkü herhangi bir tesise kabul edilebilir bir ayak izi ile sonradan eklenebilir. Adsorpsiyon temelli teknolojiler, esas olarak katı sorbentlerin uygun karakteristik özellikleri ve rejenerasyon kolayliklari sayesinde CO2 yakalama için caziptir. Bugüne kadar, araştırmalar, CO2 için daha yüksek çalışma kapasitesi, daha yüksek seçicilik ve daha iyi safsızlık toleransına sahip etkili adsorbanları geliştirmeyi amaçlamışlardır. Adsorban üretimi için tarımsal kalıntıların değerlendirilmesi, sürdürülebilir döngüsel ekonomi açısından verimli bir yoldur. Ayrıca, gözenekli karbon malzeme üretiminde tarımsal kalıntıların kullanılması, bu kalıntıların her yerde bulunmaları ve doğaları gereği düşük maliyetli olmaları nedeniyle, toplam karbon yakalama maliyetinin azaltılmasına katkıda bulunur. Bu durum, daha uygun maliyetli atık yönetimi için de fayda sağlayabilir. Ek olarak, adsorpsiyon temelli CO2 yakalama teknolojilerini sanayi ölçeklerine taşıyabilmek için döngüsel adsorpsiyon süreçleri tasarlanmakta ve optimize edilmeye çalışılmaktadır. Özellikle, sıcaklık salınımlı adsorpsiyon (TSA) süreçleri, sadece termal enerjiye ihtiyaç duyduklarından ve bu durum basınç / vakum salınımlı adsorpsiyon (PSA / VSA) işlemlerine göre ek bir avantaj sunduğundan giderek daha fazla dikkat çekmektedir. Yanma sonrası CO2 yakalama ie ilgili literatürde, atık malzemelerin adsorban öncüleri olarak kullanımını ele alan birçok çalışma vardır; bu tez çalışmasında ise ilk kez fındık kabuklarının performansı değerlendirilmiştir. Bu tezin ilk amacı, fındık kabuğundan, adsorpsiyon kapasitesinin artması gözetilerek, mikro gözeneklilik ve yüzey alanı açısından uygun dokusal gelişime sahip aktif karbon geliştirmek ve rejenerasyonu için termal enerji gereksinimlerine özel vurgu yaparak özellikle yanma sonrası yakalama koşulları altında CO2 yakalama için potansiyel kullanımını araştırmaktır. İkinci amacı, dinamik koşullar altında, sabit yataklı bir reaktörde arka arkaya adsorpsiyon-desorpsiyon döngüleri boyunca fındık kabuğu bazlı aktif karbonun performansını değerlendirmektir. Bunun için, maksimum CO2 yakalama kapasiteleri geçiş eğrileri ile, endüstriyel bir süreçte karşılaşılan gerçek koşullara yakın olan farklı sıcaklık ve kısmi basınç altında (30°C ve 50°C'de % 14 ve % 30 CO2) değerlendirilmiştir. Son amaç, daha yüksek ürün (CO2) saflığı, geri kazanımı, üretkenliği ve daha düşük spesifik enerji tüketimi sağlayan farklı TSA süreçleri tasarlamak ve bu süreçlerin performanslarını mevcut çalışmada da test edilen VSA süreçlerinde elde edilenlerle karşılaştırmaktır. Bu tezden elde edilen sonuçlar, fındık kabukları kullanılarak oldukça mikro gözenekli karbon bazlı adsorban geliştirmenin mümkün olduğunu göstermiş ve düşük CO2 kısmi basıncında gözlemlenen CO2 gazının, N2 gazına göre daha yüksek ayırma faktörüne sahip olması, geliştirilen adsorbanın yanma sonrası baca gazlarından CO2 yakalamada kullanımı için iyi bir aday olduğunu ortaya koymuştur. Statik koşullar altında adsorpsiyon kapasitesinin değerlendirilmesi ile, biyokütleden elde edilmiş bu aktif karbonun (HS-AC) net teorik CO2 yakalama kapasitesinin 0,064 kg-CO2/kg-adsorban olabileceği ortaya konmuştur. İkinci olarak, sabit bir yatakta yapılan HS-AC'nin CO2 yakalama kapasitesinin dinamik değerlendirmesi, HS-AC'nin, hızlı salınımlı adsorpsiyon işlemlerinde çok önemli olan, hızlı bir adsorpsiyon ve desorpsiyon kinetiğine sahip olduğunu göstermiştir. Son olarak, daha önce literatürde deneysel olarak denenmemiş yeni TSA konfigürasyonları tasarlanmış ve sırasıyla %71 ve %87 geri kazanımları ve %93 ve %89 CO2 saflıkları elde edilmiştir (30°C'de %30 CO2 gaz besleme koşulunda ve 120°C'de rejenerasyon sıcaklığında). TSA konfigürasyonlarının ısıl enerji gereksinimleri, besleme durumuna ve döngü konfigürasyonuna bağlı olarak 1.06 - 2.35 MJ/ kg-CO2 (46.6 - 103.4 kJ/ mol-CO2) arasında hesaplanmıştır ve bu, yanma sonrası CO2 yakalamada ana teknoloji olan amin absorpsiyonunun enerji ihtiyacından düşüktür. Optimum VSA konfigürasyonunun ise, 0.05 kPa basınç altında, 7 dakika süren rejenerasyon ve 10 mL/dakika N2 süpürme gazı ile CO2 geri kazanımı ve saflığı sırasıyla % 100 ve % 92 bulunmuştur (30°C'de %30 CO2 gaz besleme koşulunda). TSA ve VSA konfigürasyonları arasındaki en iyi sonuçların karşılaştırılması, TSA kullanıldığında döngüsel performans parametrelerinin biraz daha düşük olduğunu göstermiştir; fakat, gerçek uygulamalarda mevcut atık ısı kaynaklarının kullanılması olasılığı göz önüne alındığında, TSA teknolojisi yanma sonrası baca gazlarından CO2'nin yakalanması için umut verici bir yöntemdir.