Development of zinc titanate-based H₂S adsorbents for biomass gasification process

Bu çalışmanın amacı, bakır katkılı çinko titanat esaslı adsorbanların geliştirilmesi ve biyokütle gazlaştırma prosesi sırasında entegre sistemde H2S gideriminde kullanımının incelenmesidir. İlk olarak; Zn2TiO4 (ZT) adsorbanı ile gaz akış hızı ve sıcaklığın kükürt giderim performansına etkisi incelenerek kütle transfer hız sınırlayıcı basamakları belirlenmiştir. Farklı akışkan hızında gerçekleştirilen deney sonuçlarına göre, söz konusu kükürt gideriminin yüzey reaksiyonu ile kontrol edildiği; reaksiyon hız sabitlerinin sıcaklık ile artarak yüksek difüzyon katsayılarının elde edildiği gözlemlenmiştir. Sıcaklık ve reaksiyon hızı arasındaki ilişki TEM analizi ile desteklenmiş; yüksek sıcaklıklarda daha küçük boyutlu ZnS partiküllerinin oluşmasıyla ürün tabaka direncinin etkisi azalmıştır. Hidrojen ve su buharı varlığında, ZT numunesinin etkinliğinin aktif yapıların zehirlenmesinden dolayı azaldığı gözlenmiştir. İkinci aşamada; ağırlıkça farklı Cu/Zn oranlarında bakır katkılı çinko titanat (Cu-ZT) adsorbanları çöktürme metodu ile hazırlanmış ve malzemelerin özellikleri XRD, XPS, BET ve SEM / EDS analiz yöntemleri ile araştırılmıştır. XPS analiz sonuçlarında Cu2p3/2 spektrumu ve daha keskin oksijen piklerinin gözlenmesiyle bakırın çinko titanat yapısının içerisine başarıyla eklendiği sonucuna varılmıştır. Bakırın özellikle hidrojen ortamında sülfür giderim aktivitesi üzerine etkisinin belirgin olduğu; saf ZT numunesinin kükürt tutma kapasitesi neredeyse yok iken, Cu-ZT adsorbanı 5 saatin sonunda %60 giderim göstermiştir. Son aşamada, Cu-ZT yapısı farklı oranlarda CaSiO3 esaslı filtre yapısı içerisine bilyeli öğütme işlemi ile katılmıştır. XRD, SEM ve FTIR karakterizasyon sonuçlarına göre; Cu-ZT taneciklerinin homojen şekilde filtre yapısına dağıldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, Cu-ZT içeren filtre yapıları indirgeyici ve gazlaştırma ortamlarında kayda değer kükürt tutma aktivitesi göstermişlerdir ve bu aktivitelerin Cu-ZT oranı ile arttığı gözlenmiştir. Diğer yandan, Ni/Al2O3 esaslı katalitik filtrenin, H2S varlığındaki metan ve benzen parçalama aktivitesinin düştüğü gözlenmiştir. Bu Cu-ZT destekli filtre bazlı malzemeler, Ni/Al2O3 emdirilmiş filtreyi H2S'den korumak için öncelikli filtre katmanı olarak kullanılmıştır. Böylece, iki filtre yapısı içeren entegre sistem ile metan ve benzen reform etkinlikleri tek-aşamalı sisteme göre yaklaşık metan için 10 kat ve benzen için 1,15 kat artarak yükselmiştir. Kükürt giderim ve reformlama proseslerinin entegre edilmesiyle yüksek kalitede sentez gazı elde etmek için yenilikçi bir ünitesi tasarlanmıştır.