28400

مطالعه‌ي تجربي و مدلسازي سينتيكي پيروليز همزمان پسماند ساقه‌ي چاي و PET

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- طراحي فرايند

1399

1401/12/8

محمد امين ثباتي

حميدرضا نجفي

دانشكده مهندسي شيمي، نفت و گاز

با توجه به رشد روز افزون جمعيت و كاهش سريع منابع سوخت‌هاي فسيلي نگراني‌ها در مورد تامين انرژي نسل‌هاي آينده افزايش يافته است، زيست‌توده و پيروليز آن به واسطه‌ي در دسترس بودن و فراواني به عنوان يك منبع پايدار تامين انرژي شناخته مي‌شود اما سوخت‌هاي بدست آمده از پيروليز زيست‌توده حاوي مقادير زياد اكسيژن و آب است كه در نتيجه آن ارزش حرارتي پاييني دارد. در همين راستا پيروليز همزمان زيست‌توده با يك منبع غني از هيدروژن و كربن مانند ضايعات پلاستيكي مي‌تواند بهترين راه حل باشد. به منظور مهندسي (طراحي، بهينه‌سازي و افزايش مقياس) اين فرآيند و درك مكانيسم‌هاي واكنش پيچيده آن و براي دستيابي به بازده محصول بهينه، مدلسازي سينتيكي اين فرآيند پر اهميت است، بنابراين در اين پژوهش به مطالعه‌ي تجربي و مدلسازي سينتيكي اين فرآيند پرداخته شده‌است. به طور كلي روش‌هاي بدون مدل يا ايزوكانورژنال و روش‌هاي برازش با مدل به منظور مدلسازي سينتيكي واكنش‌هاي پيروليز به كار گرفته مي‌شوند. روش‌هاي بدون مدل بر اين اصل استوارند كه، سرعت واكنش در تبديل ثابت فقط تابعي از دماست، اما روش‌هاي برازش با مدل با در نظر گرفتن يك مدل واكنش انرژي فعالسازي و عامل پيش‌نمايي را تعيين مي‌كنند، بايد در نظر گرفت كه، روش‌هاي برازش با مدل معمولا به نرم افزار تخصصي نياز دارند، اما روش‌هاي بدون مدل را معمولا مي‌توان ساده‌تر مورد استفاده قرار داد. به منظور مدلسازي سينتيكي ابتدا آزمايش TGA نمونه‌هاي آماده شده مخلوط تحت اتمسفر نيتروژن با نرخ mL/min 50 و در چهار نرخ گرمايش 10، 15، 20، 25 درجه سلسيوس بر دقيقه در نسبت PET:TS برابر با 1:0، 3:1، 1:1، 1:3 و 0:1 انجام شد، تا الگو و محدوده‌ي دمايي تخريب حرارتي زيست‌توده و پلاستيك مشخص شود. سپس مدل واكنش سه‌مرحله‌اي موازي غيروابسته براي مخلوط ساقه چاي و پلاستيك پلي‌اتيلن‌ترفتالات در نسبت PET:TS برابر با 1:0، 3:1، 1:1، 1:3 و 0:1 استفاده گرديد، مقادير درجه واكنش، انرژي فعالسازي و عامل پيش نمايي در هر يك از اين نسبت‌ها تعيين شد. اين مدل با مقدار ضريب تعيين (R2) بين 98/0- 99/0 به‌خوبي توانست روي داده‌هاي حاصل از آزمايش با دقت ‌خوبي برازش داده شود. به عنوان يك نتيجه‌گيري كلي مي‌توان گفت، افزودن زيست‌توده به پلاستيك مقادير انرژي فعالسازي را نسبت به پلاستيك خالص كاهش و نسبت به زيست‌توده خالص را افزايش مي‌دهد.

1402/03/27

Experimental study and kinetic modeling of co-pyrolysis of tea stem waste and PET

2/27/2024 12:00:00 AM

The concerns about the energy supply for future generations have increased due to population growth and the rapid reduction of fossil fuel resources. Biomass is recognized as a sustainable source of energy due to its availability and abundance. However, the fuels obtained from the pyrolysis of biomass contain large content of oxygenated compounds and water which results in low calorific value and corrosivity. In this regard, the co-pyrolysis of biomass with a rich source of hydrogen and carbon such as plastic waste can be an appropriate solution. The kinetic modeling of this process is very important in order to design and scale up of this process and understand its complex reaction mechanisms. Therefore, in this work, the experimental study and kinetic modeling of co-pyrolysis of tea waste (TS) and polyethylene terephthalate (PET) have been done. In this regard, the model-free or iso-conversional methods and model-fitting methods have been used for the kinetic modeling of pyrolysis reactions. Model-free methods are based on the principle that the reaction rate at the constant conversion only is a function of temperature, but model-fitting methods determine the activation energy and pre-exponential factor by considering a reaction model. It should be considered that model fitting methods usually require specialized software, but model-free methods can usually be used more simply. For kinetic modeling, first, the TGA test of the prepared mixture samples were carried out under a nitrogen atmosphere at a rate of 36 mL/min and four heating rates of 46, 43, 26, and 23 ̊C/min in the ratio of PET-TS 1:0, 3:1, 1:3 and 0:1. These experimental tests were conducted to determine the pattern and temperature range of thermal degradation of biomass and plastic. Then, the independent parallel three-stage reaction model was used for the mixture of TS-PET in ratios of 1:0, 3:1, 1:3, and 0:1. The values of degree of reaction, activation energy, and pre-exponential factor were determined in each ratio. It was found that this model with the value of the coefficient of determination (R2) between 0.99-0.98 was capable to fit the experimental data with good accuracy. As a general conclusion, adding biomass to plastic decreases the activation energy values compared to the pure plastic sample and increases the activation energy values compared to the pure biomass sample.

زيست توده , پلاستيك , پيروليز همزمان , آناليز گرماوزن سنجي , انرژي فعالسازي

biomass , Plastic , co-pyrolysis , Thermogravimetric Analysis , activation energy

Zahra Rezaei Laye

Dr. Mohammad Amin Sobati