22184

ساخت، بررسي عملكرد و ارتقاي نانوكاتاليست پروسكايتي LaCuO3 در فرايند اكسيداسيون كامل متان

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1396

1399/01/30

دكتر سيد مهدي علوي - دكتر مهران رضايي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

با توجه به اثراث زيان‌بار گلخانه‌اي كه عمدتا به تركيبات آلي فرار(VOCs) و هيدركربن‌ها نسبت داده مي‌شود، قوانين زيست محيطي به شدت مورد اهميت قرار گرفته‌‌اند. در اين ميان اكسيداسيون كاتاليزوري هيدروكربن‌ها به ويژه متان از اهميت زيادي برخوردار است. استفاده از كاتاليست‌هاي پروسكايتي به دليل فعاليت بالا و طول عمر زياد تحت چرخه‌ي اكسايش-كاهش جايگزين مناسبي براي فلزات گران‌بها در واكنش‌هاي اكسيداسيون مي‌باشند. در اين پروژه براي تهيه نانوكاتاليست‌ها از يك روش جديد، ساده و مقرون به صرفه، روش مكانيكي-شيميايي استفاده شده است. براي بهبود عملكرد كاتاليست LaCuO3 ابتدا فلزاتي نظيرFe،Ni ، Al و Y مورد بررسي قرار گرفت كه فلز Ni عملكرد كاتاليستي بهتري نسبت به ساير فلزات نشان داد. در ادامه روي جايگزيني‌ مقادير مختلف Ni (x=0,0.1, 0.3, 0.5, 0.7) كار شد، كه مشخص شد كاتاليست LaCu0.5Ni0.5O3 بهترين سطح ويژه و عملكرد كاتاليستي را دارد. به گونه‌اي كه افزودن Ni به مقدار x=0.5 درصد تبديل متان را در دماي°C 500 از 83/7% به 8/73% افزايش مي‌دهد. در مرحله‌ي بعد، از جايگزيني فلزات Co و Mn به جاي فلز Cu استفاده شد كه مشخص شد، افزودن Mn سطح ويژه كاتاليست را افزايش مي‌دهد و باعث بهبود چشمگيري در فعاليت كاتاليستي مي‌شود. بطوريكه در دماي °C 450، كاتاليست‌هاي حاوي Mn به درصد تبديل بالاي 60% رسيده‌اند. با توجه به نتايج، كاتاليست LaCu0.2Mn0.3Ni0.5O3 به عنوان بهترين كاتاليست انتخاب شد. از هردو كاتاليست بهينه LaCu0.5Ni0.5O3 و LaCu0.2Mn0.3Ni0.5O3 در مدت 11 ساعت در دماي°C 700 تست پايداري گرفته شد، كه مشخص شد هردو كاتاليست از پايداري بالايي برخوردارند. نتايج نشان دادند با كاهش دماي كلسينه ميانگين سايز كريستالي كاهش و سطح ويژه افزايش مي‌يابد و كاتاليست‌هاي كلسينه شده در دماي °C500 بهترين فعاليت كاتاليستي را دارند. همچنين افزايش مقدار GHSV و نسبت خوراك منجر به افزايش درصد تبديل متان مي‌شود. در ادامه مقايسه‌اي بين روش مكانيكي-شيميايي با روش پچيني و سل-ژل بر روي فعاليت كاتاليست LaCu0.5Ni0.5O3 انجام شد،كه مشخص شد روش مكانيكي-شيميايي عملكرد بهتري نسبت به پچيني و سل-ژل دارد.

1399/04/07

Synthesis, evaluation of performance and enhancement of LaCuO3 perovskite nanocatalyst for total oxidation of methane

4/18/2020 12:00:00 AM

Due to the harmful effects of greenhouses which are mainly attributed to volatile organic compounds (VOCs) and hydrocarbons, environmental laws are very important. That's why, the catalytic oxidation of hydrocarbons, especially methane, is of great importance. The use of perovskite-type catalysts due to their high activity and stability under the oxidation-reduction cycle, are good replacement for nobel metals in oxidation reactions. In this project, mechanochemical method which is a new, simple and cost-effective synthesis method has been used to prepare nanocatalysts. To improve the performance of the LaCuO3 catalyst, metals such as Fe, Ni, Al and Y were studied at first. Among them, Ni metal showed better catalytic performance than other metals. Then the substitution of different Ni values (x= 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7) were studied, which LaCu0.5Ni0.5O3 showed the best catalytic performance. So that, adding Ni to the value of x = 0.5 ,conversion percentage of methane increases from 7.83% to 73.83% at 500 °C. In the next step, cobalt and manganese metals were used to improve the catalytic performance of LaCu0.5Ni0.5O3, that substitution of copper by manganese significantly improved catalytic activity especially at 450°C. The results showed that catalytic activity and specific surface area increased with the addition of manganese metal. So that, catalysts containing Mn have reached conversion percentage above 60%. For this reason, LaCu0.2Mn0.3Ni0.5O3 catalyst was chosen as the best catalyst. The stability of the optimal catalysts LaCu0.5Ni0.5O3 and LaCu0.2Mn0.3Ni0.5O3 were investigated at 11 hours and 700°C, that both of them showed high stability. Furthermore, the effects of calcination temperature, GHSV and feed ratio on optimal catalysts were investigated. The results showed that with decreasing of calcination temperature, the average crystal size decreases, the specific surface area increases and also catalyst activity improves. Calcined catalysts at 500°C have the best catalytic performance. Increasing of the amount of GHSV and the feed ratio (CH4/O2) leads to increase in the conversion percentage of methane. In the following, mechanochemical synthesis method was compared with pechini and sol-gel on catalyst activity of LaCu0.5Ni0.5O3. According to the results, mechanochemical synthesis method showed better performance than pechini and sol-gel.