Yağ ve Biyodizel Numunelerinin Karakterizasyonu

Biyodizel üretiminde kullanılan bitkisel yağların ve biyodizel numunelerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri, Balıkesir Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Biyoyakıt Laboratuvarında gerçekleştirilen ölçümler ve TUBİTAK MAM ve Malatya Üniversitesi Akaryakıt ve Petrol Araştırma Laboratuvarlarında hizmet alımı vasıtasıyla yaptırılan analizler ile tespit edilmiştir.

Biyodizel üretimi optimizasyon çalışmasında, transesterifikasyon süresine bağlı reaksiyonun tamamlanma derecesi ve yakıt özelliklerinin EN 14214 standartlarına göre yeterliliğinin belirlenmesi için biyodizel numunelerin üç temel özelliği olan ester içeriği, yoğunluk ve kinematik viskozite ayrıca üretim sonunda hesaplanan dönüşüm verimi değerleri referans alınmıştır. Optimizasyonda bu yakıt özelliklerin seçilmesinin nedenleri ve yağ-biyodizel karakterizasyonunda kullanılan analiz yöntemleri ve hesaplamaları şu şekildedir:

Ester içeriği (Saflık): Biyodizelin ester içeriği, biyodizelin saflık derecesini

67

sahiptir. Özellikle biyodizel içerisindeki gliserol ve trigliseritlerin varlığı, motor test uygulamalarında ciddi problemlere neden olmaktadır [62, 113]. EN 14214 standartlarına göre safsızlıklarından (SYA, metanol, gliserol, su vb.) arındırılmış biyodizelin kütlece en az %96.5 metil ester içermesi gerekmektedir. Biyodizel üretiminde bu değerin sağlanabilmesi için transesterifikasyon reaksiyonunun tamamlanmış olması ve etkili bir saflaştırma işleminin uygulanması gerekmektedir. Üretilen biyodizel numunelerinin ester içerikleri EN 14103 deney yöntemine göre Malatya Üniv PAL laboratuvarlarında analiz ettirilmiştir.

Ürün verimi: Biyodizel üretimi sonunda elde edilen ürün verimi değeri de

transesterifikasyon reaksiyonunun tamamlanma derecesi hakkında bilgi vermektedir. Birçok araştırmacı transesterifikasyon başlatıldıktan sonra artan reaksiyon süresi ile transesterifikasyon tamamlanma oranının yükseldiğini böylece ürün veriminde artış sağlandığı ancak reaksiyon denge konumuna ulaşıp tamamlandıktan sonra reaksiyon süresi artırılsa dahi verim değerinde değişim olmadığını aktarmışlardır [58, 61, 77]. Bazı çalışmalarda, transesterifikasyon tamamlandıktan sonra devam ettirilen reaksiyonlarda gözlenen hidroliz reaksiyonu ile esterlerin SYA’lerine ve sabuna dönüşmesinden ve artan reaksiyon sıcaklığı ile gliserolün çözünürlüğünün artmasından dolayı ürün veriminde bir miktar düşüşün gözlendiği aktarılmıştır [83, 114]. Biyodizel üretimlerine ait ürün verimi (3.2) nolu denkleme göre hesaplanmıştır:

Biyodizel (ürün) verimi (%) = mbiyodizel

m_yağ x 100

(3.2)

Denklemdeki m_biyodizel saflaştırılmış ve filtrasyona tabi tutulmuş biyodizelin kütlesini, m_yağ ise biyodizele dönüştürülen hammaddenin (yağın) kütlesini ifade etmektedir. Denklemde bulunan değer, kullanılan yağın yüzdesel olarak ne kadarının biyodizele dönüştüğünü göstermektedir.

Kinematik viskozite: Transesterifikasyonun reaksiyonun asıl amacı, yağların

yüksek viskozitelerini düşürerek dizel motorlarda yakıt olarak kullanımlarında karşılaşılan zayıf atomizasyon, enjektörlerde birikinti oluşumu ve yakıt pompası-

68

enjektörlerin aşınması gibi sorunların bertaraf edilmesidir [115]. Transesterifikasyon reaksiyonu ile 30-40 mm2/s seviyesindeki yüksek viskozite değerleri EN 14214’te

belirtilen 3.5-5 mm2/s aralığına düşürülebilmektedir [39, 62, 116].

Biyodizel üretiminde kullanılan bitkisel yağların ve biyodizel numunelerinin kinematik viskozite değerleri, Balıkesir Üniv. Mak. Müh. Böl. Biyoyakıt Laboratuvarında, EN ISO 310 deney yöntemine göre gerçekleştirilen ölçümlerle belirlenmiştir. Ölçümlerde öncelikle 40°C’de ±0.05°C sıcaklık hassasiyetine sahip kinematik viskozite banyosu, cihazda belirtilen seviyeye kadar saf su ile doldurulmuştur. Sonrasında, yaklaşık 20 ml numune, kapiler viskozite tüpü içerisine alınmıştır. Viskozitemetre tüpleri sınırlı aralıktaki viskozite değerlerini ölçebilmektedir, bunun nedenle farklı maddeler için farklı tüpler kullanılmaktadır. Tablo 3.3’te cam Cannon-Fenske marka kapiler viskozitemetre tüplerinin sahip oldukları kalibrasyon sabiti ve ölçüm aralık değerleri gösterilmektedir.

Tablo 3.3: Cannon-Fenske viskozitemetre tüpü çeşitleri ve ölçüm aralıkları [117]. Çeşit Kalibrasyon sabiti (C) Ölçüm aralığı (mm2_/s)

25 0.002 0.5 – 2 50 0.004 0.8 – 4 75 0.008 1.6 – 8 100 0.015 3 – 15 150 0.035 7 – 35 200 0.1 20 – 100 300 0.25 50 – 250

Analizlerde biyodizel numunelerinin viskozitelerini ölçmek için 75, yağ numunelerinin viskozitelerini ölçmek için ise 150 numaralı Cannon-Fenske viskozitemetre tüpleri kullanılmıştır. Banyo sıcaklık değeri 40°C’ye ayarlanmış, suyun sıcaklığı 40°C olduktan sonra tüp içerisindeki numunelerin de bu sıcaklığa ulaşması

69

için bir süre beklenilmiştir. Numune sıcaklığı 40°C’ye geldiğinde tüp içindeki numune puar ile üst menüsküs çizgisini geçene kadar çekilmiştir. Ardından puar çıkartılmış ve numunenin üst menüsküs üzerindeki iki çizgi arasından akması sağlanmış ve bu çizgiler arasından geçme süresi 0.001 saniye hassasiyetindeki dijital bir kronometre ile ölçülmüştür. Numunelerin 40°C’deki kinematik viskozite değerleri, analizlerde ölçülen süre ve viskozitemetre tüpünün kalibrasyon sabitinin çarpılmasıyla hesaplanmıştır. Her ölçüm üçer defa tekrar edilmiş ve ortalama değerler elde edilmiştir. Her deneyden sonra kapiler tüplerdeki numuneler boşaltılmış ve içerisinde numune kalmayacak şekilde tüpler hekzan ve toluen ile temizlenmiştir.

Yoğunluk: Yakıt özellikleriden yoğunluk, motor performansı açısından önemli

bir özelliktir çünkü dizel yakıt sistemleri yakıtı hacimsel olarak ölçerek motora enjekte eder. Dolayısıyla farklı yoğunluğa sahip yakıtlar, motora farklı kütlelerde enjekte edilmekte ve motorun çıkış gücü yakıt yoğunluğuna göre değişmektedir [111]. Ayrıca setan sayısı ve ısıl değer gibi bazı önemli yakıt özellikleri yakıtın yoğunluk değerine bağlı olarak değişmektedir [118]. Motorine göre yoğunluğu yüksek olan bitkisel yağlar, transesterifikasyon ile içeriğindeki gliserolün uzaklaştırılması sonucunda daha az yoğun, daha çabuk buharlaşabilen ve daha kolay atomize edilebilen biyodizele dönüştürülür. Transesterifikasyon reaksiyonu ile 0.90-0.93 g/cm3 _{seviyesindeki}

yoğunluk değerleri (15°C), EN 14214’te belirtilen 0.86-0.90 g/cm3 aralığına

düşürülebilmektedir [61, 62, 81].

Biyodizel üretiminde kullanılan bitkisel yağların ve biyodizel numunelerinin yoğunluk değerleri, Balıkesir Üniv. Mak. Müh. Böl. Biyoyakıt Laboratuvarında ISO 4787 standartlarında belirtildiği şekilde hassas terazi ve piknometre kullanılarak gerçekleştirilen ölçümler ve (3.3) nolu denklem kullanılarak yapılan hesaplar ile elde edilmiştir:

ρ_numune=mtoplam-mdara msu

70 Denklemdeki ρ

numune, yoğunluğu ölçülen numunenin belirlenmek istenen

sıcaklıktaki (15°C seçilmiştir) yoğunluk değerini; mtoplam, numune ile dolu

piknometrenin kütlesini; mdara, boş piknometrenin kütlesini; msu, piknometre içindeki

suyun kütlesini (saf su ile doldurulmuş piknometre kütlesi ile piknometre darasının farkı); ρ_su

,

Diğer analizler: Biyodizel üretiminde kullanılan bitkisel yağların ve biyodizel

numunelerinin asit sayısı değerleri, Balıkesir Üniv. Mak. Müh. Böl. Biyoyakıt Laboratuvarında EN 14104 standartlarında uygun olarak titrasyon yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Eşit hacimlerde karıştırılmış dietil eter ve %95’lik etanol karışımından oluşan 100 mL’lik çözücü içerisine 0.3 mL fenolftalein (%95’lik etanolde 10 g/L’lik) ilave edilmiştir. Karışım rengi, 15 s süresince kalıcı ve belirgin bir renk değişimi geçirdiği dönüm noktasına ulaşana kadar, karışım üzerine etanol içerisinde çözünmüş, 0.1 mol/L derişimli KOH çözeltisi damlatılmıştır. Ardından titre edilen karışım içine asit sayısı belirlenecek numuneden 20 g ilave edilmiş ve karışım homojen olacak şekilde karıştırılmıştır. Elde edilen yeni karışım, çalkalanarak tekrardan KOH çözeltisiyle titre edilmiş ve harcanan çözücü miktarı kaydedilmiştir. Son olarak ilgili numunenin asit sayısı, mgKOH/g cinsinden (3.4) nolu denklem kullanılarak hesaplanmıştır:

Asit sayısı = 56.1x Vx C

m

(3.4)

Denklemde bulunan V, kullanılan KOH çözeltisinin hacmini (mL); C, KOH konsantrasyonunu (mol/L); m, deney numunesinin kütlesini (g); 56.1 ise KOH’in mol kütlesini (g/mol) ifade etmektedir.

Çalışmada bitkisel yağların ve biyodizel numunelerine ait verilen diğer tüm fiziksel ve kimyasal özellikler, TS EN ISO/IEC 17025:2012 standardına göre akredite olan Malatya Üniv Akaryakıt ve Petrol Araştırma Laboratuvarlarında, EN 14214 standartlarının ilgili deney yöntemlerine uygun olarak analiz edilerek tespit edilmiştir.

71

Tezin EKLER kısmında motor testlerinde kullanılan biyodizellere ait detaylı analiz raporları sunulmuştur (EK D,E,F).

72