30816

سنتز مخلوط اكسيد فلزي نانوساختار La2O3-CeO2 و كاربرد آن در ساخت كاتاليست نيكل مورد استفاده در ريفرمينگ تركيبي بيوگاز

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- ترموسينتيك و كاتاليست

1399

1402/7/15

مهران رضايي - سيدمهدي علوي

ندارم

مهندسي شيمي، نفت و گاز

بيوگاز يك انرژي تجديدپذير اميدواركننده است كه عمدتاً حاوي متان و كربن‌دي‌اكسيد است. ريفرمينگ بيوگاز يك فناوري در حال رشد براي تبديل بيوگاز به گاز سنتز است. واكنش ريفرمينگ تركيبي متان با تركيب فرايند گرماگير ريفرمينگ خشك و فرايند گرمازاي اكسيداسيون جزئي مصرف انرژي را كاهش داده و با افزودن مقدار كنترل شده اكسيژن مقاومت در برابر تشكيل كربن و سينترينگ را افزايش مي‌دهد. در قسمت اول اين پروژه ويژگي‌هاي ساختاري و فعاليت كاتاليستي كاتاليست‌هاي نانوساختار Ni/La2O3-CeO2با بارگذاري‌هاي مختلف نيكل در ريفرمينگ تركيبي بيوگاز براي توليد گاز سنتز مورد بررسي قرار گرفت. روش‌هاي مكانيكي - شيميايي و تلقيح به ترتيب براي سنتز پايه‌ها و كاتاليست‌ها استفاده شد و سپس كاتاليست‌ها با استفاده از آناليزهاي XRD، BET، TPR، TPO و FESEM مشخصه يابي شدند. نتايج نشان داد كه فعاليت كاتاليستي با افزايش بارگذاري نيكل (wt%5/17 -5/2) به دليل افزايش سايت‌هاي فعال و احياپذيري آسان‌تر كاتاليست‌ها، افزايش مي‌يابد. بالاترين فعاليت توسط كاتاليست 10Ni/La2O3-CeO2 با سطح ويژه 4/17 مترمربع بر گرم و تبديل بالاي دي‌اكسيدكربن و متان برابر با 72% و 70% تحت شرايط بررسي شده نشان داده شد. همچنين نتايج به دست آمده از آزمون پايداري كاتاليست‌ها و آناليز TPO عدم تشكيل كربن در ريفرمينگ تركيبي بيوگاز را تأييد كرد، به ‌گونه‌اي ‌كه كاتاليست 10Ni/La2O3-CeO2 عملكرد كاتاليستي پايداري را به مدت 10 ساعت در جريان در دماي °C 700 نشان داد. علاوه بر اين تأثير ساير شرايط عملياتي مانند نسبت خوراك، سرعت فضايي گاز (GHSV) و دماي كلسيناسيون بر خواص ساختاري و فعاليت كاتاليستي كاتاليست 10Ni/La2O3-CeO2 مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به ثابت در نظر گرفتن مقدار CH4، با كاهش نسبت CO2/O2 تبديل CH4 افزايش و تبديل CO2 كاهش يافت در حالي كه افزايش GHSV موجب كاهش هر دو تبديل CH4 و CO2 مي‌شود. بر اساس آناليز BET با افزايش دماي كلسيناسيون سطح ويژه به ميزان كمي از 17 به 13 مترمربع بر گرم كاهش يافت در حالي كه تغيير قابل توجهي در فعاليت كاتاليست ايجاد نشد. در قسمت دوم پروژه نسبت خوراك مورد بررسي قرار گرفت و نتايج نشان داد كه تركيب دو پايه اكسيدي در نسبت‌هاي مختلف باعث افزايش سطح ويژه و كاهش اندازه و حجم حفرات شد به طوري كه كاتاليست 10Ni/La2O3-CeO2 بيشترين سطح ويژه را در ميان ساير كاتاليست‌ها با نسبت‌هاي مختلف La2O3/CeO2 نشان داد. همچنين طبق نتايج حاصل از آزمون پايداري كاتاليست‌ها، استفاده از كاتاليست‌هاي بر پايه اكسيدهاي تركيبي به دليل افزايش ظرفيت ذخيره سازي اكسيژن پايه و ايجاد سايت‌هاي فعال باعث كاهش رسوب كربن و افزايش پايداري كاتاليست‌ها شد.

1403/02/17

Synthesis of the metal oxide nanostructure mixture of La2O3-CeO2 and its use in constructing of nickel catalyst used in biogas combined reforming

1/1/1900 12:00:00 AM

Biogas is a promising renewable energy that contains mainly methane and carbon dioxide. Reforming is an emerging new technology to convert biogas to syngas. The biogas combined reforming reaction increases resistance to carbon formation and sintering by adding a controlled amount of oxygen while simultaneously reducing energy consumption by combining the endothermic process of dry reforming and the exothermic process of partial oxidation. The first part of this project investigated the textural features and catalytic activity of nanostructured Ni/La2O3-CeO2 catalysts with different nickel loadings in the combined reforming of biogas to produce synthesis gas. The supports and catalysts were synthesized using mechanochemical and impregnation methods and then characterized using XRD, BET, TPR, TPO, and FESEM analyses. The highest activity was shown by the 10Ni/La2O3-CeO2 catalyst with a specific surface area of 17.4 m2/g and an average crystal size of 1.6 nm under the investigated conditions, which can be attributed to the high conversion of carbon dioxide and methane equal to 72% and 70%, respectively. Also, the catalyst stability test and TPO analysis results confirmed the absence of carbon formation in combined biogas reforming; as a result, the 10Ni/La2O3-CeO2 catalyst displayed stable activity for 10 hours in the stream at 700 °C. The impact of other operating conditions such as feed ratio, gas hourly space velocity, reduction temperature, and calcination temperature on the structural properties and catalytic activity of the 10Ni/La2O3-CeO2 catalyst was also investigated. By keeping the amount of CH4 constant, with a decrease in the CO2/O2 ratio, CH4 conversion increased and CO2 conversion decreased, while increasing GHSV reduced both CH4 and CO2 conversion. Additionally, the stability and conversion of CH4 and CO2 increased with an increase in the reduction temperature due to the rise in the active sites of reduced nickel on the catalyst surface and a higher CO2 absorption rate. According to the BET analysis, raising the calcination temperature resulted in a slight reduction in the specific surface from 17.4 to 13.09 m2/g with an increasing crystal size from 6.1 to 7.9 nm, which the FESEM images confirmed, but there was no observed appreciable change in the catalyst activity. In the second part of the project, the effect of support with different La2O3/CeO2 ratios was investigated, and the results showed the combination of two oxide supports increased the specific surface area and reduced the size and volume of the pores so that the 10Ni/La2O3-CeO2 catalyst had the highest specific surface area of all the catalysts. Additionally, the use of catalysts supported on mixed oxides decreased coke deposition and increased catalyst stability due to the increase in support oxygen storage capacity and the creation of active sites, according to the stability test results of catalysts.

كاتاليست , بيوگاز , ريفرمينگ تركيبي , گاز سنتز

Catalyst , biogas , combined reforming , synthesis gas

Maryam Sajjadi

Dr. Mehran Rezaei