شماره ركورد
30486
پديد آورنده
صبا كاظمي
عنوان
ساخت و ارزيابي كاتاليست¬هاي نانوساختار نيكل بر پايه تركيبات اسپينلي به منظور توليد هيدروژن عاري از COx در فرايند تجزيه ترموكاتاليستي متان
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1398
تاريخ دفاع
1402/07/05
استاد راهنما
سيد مهدي علوي
استاد مشاور
مهران رضايي
دانشكده
مهندسي شيمي
چكيده
تجزيه ترموكاتاليستي متان يك فناوري كارآمد به منظور توليد هيدروژن با خلوص بالا و عاري از اكسيدهاي كربن است. در اين مطالعه، هدف توسعه فرمولاسيون كاتاليستي بر مبناي نيكل است كه داراي فعاليت و پايداري مناسب در فرايند تجزيه متان باشد. در بخش نخست اين پژوهش، تركيبات اسپينلي شامل آلوميناتهاي منيزيم، كلسيم، باريم، استرانسيوم، آهن و روي با استفاده از روش مكانيكي – شيميايي تهيه و به عنوان پايه كاتاليست نيكل با محتواي 40% وزني NiO مورد استفاده قرار گرفتند. نتايج بدست آمده نشان دادند كه كاتاليست پايهدار شده نيكل بر پايه FeAl2O4، با ميزان افت تبديل متان در دماي ℃ 575 در حدود 21% در مدت 300 دقيقه، پايدار ترين كاتاليست بود و اين در حالي است كه ساير نمونهها در طول آناليز پايداري به صورت كامل غيرفعال شدند كه به دليل رسوب و رشد نانوفيبرهاي كربني است كه پوشاننده مكانهاي فعال كاتاليست است. در بخش دوم اين مطالعه، به بررسي اثر مقادير مختلف اكسيد نيكل (20، 30، 40، 50 و 60 درصد وزني) بر پايه FeAl2O4 بر روي خصوصيات ساختاري و راندمان كاتاليستي در فرايند تجزيه متان پرداخته شد. نتايج بدست آمده نشان دادند كه سطح ويژه كاتاليستهاي كلسينه با افزايش بارگذاري اكسيد نيكل از 20 تا 60% وزني كاهش يافتند كه ناشي از انسداد حفرات پايه FeAl2O4 بود. علاوه بر اين، نتايج آناليز فعاليت نشان دادند كه ميزان فعاليت كاتاليست با افزايش محتواي NiO از 20 تا 50 درصد وزني به سبب افزايش غلظت فاز فعال، افزايش يافت. ميزان تبديل متان در كاتاليست NiO(50)/FeAl2O4 در دماي ℃600 به 40% رسيد. اين در حالي است كه افزايش بيشتر محتواي نيكل تا 60% وزني منجر به كاهش راندمان كاتاليستي به سبب كاهش ميزان پراكندگي نيكل گرديد. بخش سوم اين مطالعه به بررسي تأثير افزودن 10% وزني از ارتقادهندههاي مختلف شامل اكسيدهاي Cu, Cr, Co, Zn, Mn به كاتاليست NiO(50)/FeAl2O4 اختصاص دارد. نتايج نشان دادند كه كاتاليست MnO2(10)-NiO(50)/FeAl2O4، فعالترين و پايدارترين كاتاليست در فرايند تجزيه متان بوده است. ميزان تبديل متان و بازده هيدروژن در دماي ℃ 700، بر روي اين كاتاليست به ترتيب برابر 3/62 و 66 درصد و ميزان افت فعاليت در حدود 3% در طول 300 دقيقه از واكنش بود. بخش انتهايي اين پژوهش به طراحي و بهينهسازي شرايط تهيه كاتاليست NiO(50)/FeAl2O4 در فرايند تجزيه متان اختصاص دارد. نتايج بدست آمده نشان دادند كه كاتاليست تهيه شده با روش همرسوبي اصلاح شده داراي بهترين راندمان بوده و ميزان تبديل متان در دماي ℃ 675 به ترتيب برابر 74% بوده است. به منظور بررسي و بهينهسازي پارامترهاي سنتز شامل نوع ماده فعال سطحي (CTAB, PVP, P123)، مقدار pH (9، 10، 11)، دماي پيرسازي (℃ 40، 60، 80) و زمان پيرسازي (hr 0، 15، 30) از روش طراحي آزمايش تاگوچي L9 استفاده گرديد. نتايج بدست آمده نشان دادند كه نمونه بهينه داراي ساختاري مزوحفره با سطح ويژه m2.g-1 73 و حجم حفره cm3.g-1 17/0 است و بيشينه ميزان تبديل متان بر روي اين كاتاليست در دماي ℃ 700 برابر 8/80 درصد بوده است. همچنين نتايج نشان دادند كه روش طراحي تاگوچي يك روش كارآمد به منظور بهينهسازي پارامترهاي سنتز است و ميزان خطا بين مقدار پيشبيني شده و تجربي كمتر از 4% بوده است. در انتها، به بررسي عملكرد اين كاتاليست در سيستم راكتوري بستر پلاسما پرداخته شد كه مشخص گرديد حضور يك ميدان الكتريكي ميتواند درصد تبديل متان را به ميزان 12 درصد افزايش دهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1402/11/30
عنوان به انگليسي
Preparation and evaluation of the Spinel Supported Ni-based Nanostructured Catalysts for COx-Free Hydrogen Production in Methane Thermocatalytic Decomposition
تاريخ بهره برداري
9/26/2024 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
صبا كاظمي
چكيده به لاتين
Thermocatalytic decomposition of methane (TDM) is an efficient technology to produce hydrogen with high purity and without COx components. The noble and transition metals were used in this process. The most common catalyst which used in this process is the nickel-based components. This metal has suitable activity but relatively short life-time. This study is focused on the developing catalytic systems over the nickel-based catalysts that have suitable activity and stability in the TDM process. The first part of this research was related to the synthesize of the various spinel powders containing MgAl2O4, CaAl2O4, BaAl2O4, SrAl2O4, FeAl2O4, and ZnAl¬2O4 prepared by the mechanochemical method, and the synthesized catalysts were employed as catalyst support for the nickel-based with 40 wt.% of NiO in the TDM process. The results demonstrated that the FeAl2O4-supported nickel catalyst presented the highest stability among the studied catalysts. The decline in the initial CH4 conversion was about 21% at 575 ℃ during the 300 min time on stream. However, other samples were completely deactivated during the stability test, which was related to the deposition and growth of the carbon nanofiber that covers the available catalyst active sites. The second part of this study is dedicated to the study of various NiO contents (20, 30, 40, 50, and 60 wt.%) on the textural characteristics and catalytic efficiency of the FeAl2O4 supported nickel catalysts in the TDM process. The obtained results demonstrated that the SBET of the synthesized catalysts reduced from 62 to 26 m2.g-1 by increasing the nickel loading from 20 to 60 wt.%, which is ascribed to the blockage of FeAl2O4 support pores. Furthermore, the activity results showed that the catalytic activity improved by increasing the nickel content from 20 to 50 wt.% due to the rise of active site concentration. However, the methane conversion was reached to 40% at 600 ℃ over the NiO(50)/FeAl2O4 catalyst. The more increment of nickel content decreased the catalytic efficiency due to the decline in active phase dispersion. At third part of this research, the influence of various metal oxides (CuO, Cr2O3, Co3O4, ZnO, and MnO2) promoted NiO/FeAl2O4 catalysts were studied on the textural characteristics and catalytic efficiency. The controlled preparation method caused the sample doped with MnO2 to show the highest specific surface area (47 m2.g-1) and the lowest particle size (10.6 nm) among the promoted samples. The activity test revealed that the MnO2(10)-NiO(50)/FeAl2O4 catalyst was the most active and stable catalyst in the CH4 decomposition reaction. At 700 ℃, the CH4 conversion and H2 yield were 62.3 and 66 % over this catalyst. Also, the decline in its initial activity was only 3 % during the 300 min reaction time at 575 ℃. Also, the results indicated that the catalytic efficiency and rate of carbon production increased by raising the MnO2 content from 5 to 10 wt.%. However, the high amount of the deposited carbon and decline in metal dispersion led to the catalytic activity being reduced when the MnO2 loading was increased from 10 to 15 wt.%. The last part of this research is centralized on designing and optimizing the preparation conditions of the NiO(50)/FeAl2O4 catalyst in the TDM. The mesoporous FeAl2O4 powders were synthesized by various methods, and the supported nickel catalysts were employed in the TDM. The results showed that the catalyst supported on FeAl2O4 synthesized by modified co-precipitation (MCOP) method possessed the best efficiency, and CH4 conversion and H2 yield were 74 and 82 % at 675 ℃, respectively. Taguchi L9 statistical experimental design was applied to investigate and optimize the preparation parameters, including surfactant type (CTAB, PVP, P123), pH (9, 10, 11), aging temperature (40, 60, and 80 ℃), and aging time (0, 15, 30 h). The obtained outcomes revealed that the optimized sample displayed a mesoporous nanocrystalline structure with an appropriate BET area (73 m2.g-1) and pore volume (0.17 cm3.g-1), and its maximum methane conversion was 80.8 % at 700 ℃. The results indicated that the Taguchi procedure was impressive in the optimization of the synthesis parameters, and the error value between the predicted value and the actual value was lower than 4%. The study of the presence of the plasma reactor is the last topic that is discussed in this dissertation. The results showed that the catalytic efficiency was significantly improved by introducing an electric field to the reactor system.
كليدواژه هاي فارسي
تجزيه ترموكاتاليستي متان , كاتاليستهاي نيكل , تشكيل كربن , ارتقادهندههاي فلزات واسطه , طراحي آزمايش به روش تاگوچي
كليدواژه هاي لاتين
Thermocatalytic decomposition of methane , Nickel-based catalysts , Carbon production , Transition metal promoters , Taguchi experimental design
Author
Saba Kazemi
SuperVisor
Seyed Mehdi Alavi