ساخت و ارزيابي كاتاليست هاي نانو ساختار فوق فعال حاوي اكسيد منگنز جهت احتراق كاتاليستي متان

كارشناسي ارشد

احتراق كاتاليستي متان يك فناوري كارآمد و پيشرفته در جهت حذف و يا كاهش ميزان انتشار آلاينده¬هايي همچون هيدروكربن¬هاي نسوخته، COx، NOx، دوده و غيره است. در اين فرايند كاتاليست¬هاي مختلفي مورد استفاده قرار مي¬گيرند. با توجه به ويژگي¬هاي برتر احياپذيري، ظرفيت ذخيره¬سازي بالاي اكسيژن و حالت¬هاي مختلف اكسيداسيون در شبكه كريستالي، اكسيد منگنز (MnOx) به عنوان كاتاليست اصلي در اين مطالعه انتخاب گرديد و تأثير عوامل مختلف بر اين تركيب در فرايند احتراق متان مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت. در بخش ابتدايي اين پژوهش، كاتاليست¬هاي اكسيدهاي منگنز، نيكل، كبالت، آهن و كروم با استفاده از روش مكانيكي – شيميايي تهيه گرديدند و در فرايند احتراق متان مورد استفاده قرار گرفتند. نتايج نشان داد كه كاتاليست MnOx (MnO2¬, Mn2O3) عملكرد بهتري در اين فرايند دارد، به گونه¬اي كه 90% از ميزان تبديل متان در حدود دماي ℃450 بدست آمده است. با توجه به حساسيت واكنش¬هاي اكسيداسيون به ساختار كاتاليست، بخش دوم اين مطالعه اختصاص به بررسي مورفولوژي¬هاي مختلف اكسيد منگنز شامل نانوذرات سيم، لوله، ميله و گل با استفاده از روش¬هاي آبي – حرارتي و انحلالي دارد. نتايج نشان داد كه كاتاليست تهيه شده با ساختار نانوسيم داراي بهترين عملكرد در فرايند احتراق متان بوده است كه اين به سبب بهتر بودن خصوصيات فيزيكي و شيميايي اين نمونه از جمله سطح ويژه (m2.g-1 53) بالاتر اين كاتاليست است. عوامل تأثيرگذار بر تهيه MnOx با ساختار نانو سيم به روش آبي – حرارتي شامل دماي اتوكلاو، pH، زمان ماند و دماي كلسيناسيون مورد تجزيه و تحليل قرار گرفتند كه نتايج نشان دادند كه كاتاليست تحت شرايط دماي اتوكلاو برابر ℃240، pH برابر 3، زمان پيرسازي برابر 24 ساعت و دماي كلسيناسيون برابر ℃400، بالاترين راندمان تبديل متان در دماي پايين (℃305 = T50% و ℃ 403 = T90%) را دارد. تأثير افزودن فلزات قليائي خاكي شامل اكسيدهاي Mg، Ca، Ba و Sr به MnOx با استفاده از روش مكانيكي – شيميايي در دستور كار قرار گرفت كه نتايج بدست آمده نشان دادند كه كاتاليست حاوي 10% وزني اكسيد باريم، پتانسيل زيادي براي بهبود راندمان تبديل متان دارد و دماي خاموشي بر روي اين كاتاليست نسبت به نمونه MnOx خالص به اندازه ℃50 كاهش يافته است. اثر محتواهاي مختلف اكسيد باريم (20، 15، 10، 5 = x) نيز بر روي خصوصيات ساختاري و راندمان كاتاليستي مورد بررسي قرار گرفت كه به سبب توانايي بالاتر در فراهم¬سازي اكسيژن از طريق تركيبات، كاتاليست BaO(10)-MnOx ميزان تبديل بالاتري از متان را از خود نشان داد و دماي مربوط به 10 و 90% از تبديل به ترتيب در ℃ 305 و 427 بدست آمده است. نمونه BaO(10)-MnOx با چهار روش مكانيكي – شيميايي، رسوب¬گيري، سنتز احتراقي و سل – ژل پچيني تهيه و در فرايند احتراق متان مورد استفاده قرار گرفتند. نتايج نشان دادند كه با توجه به ويژگي¬هاي ساختاري از قبيل خصوصيات سطحي و ميزان احياپذيري، كاتاليست تهيه شده با روش مكانيكي – شيميايي عملكرد مطلوب¬تري را نسبت به ساير نمونه¬ها از خود نشان داده است. بررسي تأثير ظرفيت ذخيره¬سازي اكسيژن با استفاده از اكسيدهاي Ce، Zr، La و Y به منظور ارتقاء كاتاليست BaO(10)-MnOx مورد مطالعه قرار گرفت كه نتايج نشان دادند كه افزودن اين تركيبات سبب افزايش ميزان تحرك¬پذيري اكسيژن مي¬شود كه با استفاده از آناليز O2-TPD قابل اثبات است. در ميان اين نمونه¬ها، كاتاليست حاوي اكسيد سريم، تأثير مثبت بيشتري بر ميزان تبديل متان به سبب بالاتر بودن سطح ويژه (m2.g-1 39) و همچنين بالاتر بودن ظرفيت ذخيره¬سازي اكسيژن، داشته است. افزودن مقادير مختلف اكسيد سريم (7، 5، 3 و 1 = x) نيز بررسي گرديد كه نتايج نشان دادند كه افزايش محتواي اكسيد سريم تا 3% وزني سبب بهبود ميزان تبديل متان شده است و 90% از متان ورودي در دماي ℃350 به محصولات تبديل شدند. تأثير افزودن 5/0 درصد وزني اكسيدهاي Pd، Pt، Rh و Ru بر خصوصيات ساختاري و عملكرد كاتاليستي BaO(10)-MnOx در فرايند احتراق متان مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج نشان دادند كه افزودن اكسيد روديوم مي¬تواند به شكل قابل ملاحظه¬اي ميزان تبديل متان و دماي خاموشي را تحت تأثير قرار دهد. تأثير محتواهاي مختلف اكسيد روديوم (1، 75/0، 5/0، 25/0 = x) نيز عامل ديگري بود كه در ادامه مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج بدست آمده حاكي از عملكرد بهتر كاتاليست حاوي 1% وزني Rh2O3 در فرايند احتراق متان بوده است. در اين كاتاليست T50% برابر 279 و T90% برابر 305 درجه سانتي¬گراد بوده است و دماي خاموشي بر روي اين نمونه به ميزان ℃50 كمتر از كاتاليست BaO(10)-MnOx بوده است. همچنين عملكرد اين كاتاليست در فرايند اكسيداسيون CO نيز مورد توجه قرار گرفت كه نتايج نشان دادند كه تبديل كامل CO به CO2 در حدود دماي ℃100 رخ مي¬دهد. بررسي نوع سيستم راكتوري مورد استفاده، آخرين موضوعي است كه در اين پژوهش بدان پرداخته شده است كه براي اين كار از دو سيستم راكتوري بستر ثابت و بستر پلاسما + بستر ثابت بر روي كاتاليست¬هاي A-MnOx (NiO، CuO، CoOx و Fe2O3 A:) استفاده شده است. نتايج بدست آمده نشان دادند كه اعمال ميدان الكتريكي مي¬تواند راندمان تبديل متان را به ويژه در دماهاي پايين به شكل بسيار چشم¬گيري بهبود دهد، به گونه¬اي كه تحت ميدان الكتريكي در دماي محيط نيز CH4 به CO2 و H2O تبديل مي¬گردد كه اين به سبب توليد راديكال¬هاي فعال و الكترون¬هاي پر انرژي است كه سبب واكنش¬پذيري بهتر متان مي¬گردند. در ادامه تأثير محتواهاي مختلف اكسيد مس (20، 15، 10، 5 = x)، به عنوان بهترين نمونه در ميان كاتاليست¬هاي مورد بررسي، نيز مورد ارزيابي قرار گرفت كه نتايج نشان دادند كه كاتاليست حاوي 10% وزني CuO داراي بالاترين ميزان تبديل متان (69% در دماي ℃100) در راكتور بستر ثابت و بستر پلاسما بوده است.

211616

دانشگاه علم و صنعت ايران

افسانه سادات لاريمي

مهندسي شيمي- مهندسي شيمي

سيد مهدي علوي - مهران رضايي