Geri Dön

Hydrogen production from ethanol over mesoporous alumina based catalysts and microwave reactor applications

Mezogözenekli alumina bazlı katalizörler ile etanolden hidrojen üretimi ve mikrodalga reaktör uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 383253
  2. Yazar: SEVAL GÜNDÜZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TİMUR DOĞU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 179

Özet

Fosil yakıt rezervlerinin tükenmeye yüz tutması ve CO2'in çevreye verdiği zararlar nedeni ile son yıllarda temiz bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojene ilgi artmaktadır. Yapısında hali hazırda yüksek miktarda su bulunan biyo-etanolden buharlı reformlama ile hidrojen üretimi, net CO2 salımını sıfırlaması ve yenilenebilir oluşu ile büyük bir potansiyele sahiptir. Buharlı etanol reformlama prosesi hidrojen verimini azaltan ve proses ekonomisine negatif etkisi olan çok sayıda yan reaksiyon içeren kompleks bir reaksiyon ağına sahiptir. Ayrıca yüksek endotermik doğası nedeniyle prosesin ekonomik fizibilitesi tartışmalı bir konudur. Bu çalışmamızın ana amaçları; (i) buharlı etanol reformlama reaksiyonuna karşı aktif ve yüksek sıcaklıklarda buharlı ortama dayanıklı yeni mezogözenekli katalizörler dizayn etme ve sentezleme, (ii) klasik ısıtma sisteminden daha verimli bir alternatif ısıtma sistemine sahip reaksiyon sisteminin tasarlanmasıdır. Çalışmamız kapsamında, Co/Al ve Ni/Al mol oranı 0.10 olan Co-Mg ve Ni-Mg içeren mezogözenekli alumina tipi malzemeler doğrudan sentez ve impregnasyon olmak üzere iki farklı yöntemle sentezlenmiştir. Sentezlenen malzemelerin aktivite testleri laboratuvarımızda bulunan hem klasik ısıtmalı hem de mikrodalga reaktör sistemlerinde gerçekleştirilmiştir. Daha sonra sentezlenen malzemeler ve reaksiyon sonrası malzemeler karakterize edilerek katalizörlerin performans farklarının sebepleri incelenmiştir. Doğrudan sentez yöntemi ile hazırlanmış Co-Mg-MA ve Co@Mg-MA katalizzörleri ile impregnasyon yöntemi ile hazırlanmış Co-Mg@MA ve Co@MA katalizörleri SRE reaksiyonuna karşı çok farklı aktivite göstermişlerdir. Doğrudan sentez yöntemi ile hazırlanan katalizörler maksimum hidrojen verimi olan 6.0 üzerinden 5.2'lik hidrojen verimi ile çok yüksek aktivite gösterirken, Mg'un impregne edilmesiyle sentezlenen katalizörler hidrojen verimine karşı aktivite göstermemişlerdir. Bu katalizörlerde ana ürün hidrojen yerine etilen olmuştur. Bu da göstermektedir ki etanol dehidrasyon reaksiyonu bu katalizörler üzerinde prosesi domine etmektedir. XRD ve XPS analizlerine göre Mg'un doğrudan eklendiği Co-Mg-MA ve Co@Mg-MA katalizörlerinde SRE reaksiyonunda aktif olan Coo ve CoO yapıları görülmiştür. Fakat Co-Mg@MA ve Co@MA katalizörleri büyük çoğunlukla CoAl2O4 fazından oluşmuştur ve aktif Coo ve CoO fazlarının oluşmaması bu katalizörlerin SRE reaksiyonuna karşı düşük aktivite göstermesine neden olmuştur. Ek olarak, DRIFT analizleri, impregnasyon yöntemi ile hazırlanan katalizörlerin daha yüksek asiditeye sahip olduğunu göstermiştir. Aktivite açısından en iyi katalizör olan Co@Mg-MA ayrıca odaklı mikrodalga reaktörde denenmiş ve bu sistemde elde edilen hidrojen veriminin biraz daha yüksek ve çok daha kararlı olduğu görülmüştür. Mikrodalga sisteminde elde edilen en şaşırtıcı sonuç ise bu sistemde katalizör üzerindeki karbon birikiminin elimine edilmesidir. Mikrodalga sistemde sıcaklığın düzenli dağılmasından dolayı karbon birikiminin ana sebeplerinden biri olan Boudouard reaksiyonu en aza indirgenmiş ve karbon üretimi minimize edilmiştir. Co-Mg içeren katalizörlerin aksine Ni-Mg içeren katalizörlerin hidrojen verimlerinde büyük bir fark gözlenmemiştir. Ni-Mg-MA, Ni-Mg@MA ve Ni@Mg-MA katalizörlerinin hidrojen verimleri sırasıyla 4.0, 4.5 ve 5.0'dır. Gözlenen küçük fark, farklı yollarla sentezlenen malzemelerdeki Ni parçacık boyutu farkına bağlanmıştır. Büyük Ni parçacıklarının yüksek CH4 seçiciliğine ve düşük hidrojen verimine sebep olan CO metanasyon reaksiyonuna karşı yüksek aktivite gösterdiği bilinen bir gerçektir. XRD analizine göre, Ni-Mg-MA ve Ni@Mg-MA katalizörlerindeki Ni parçacık boyutları sırasıyla 20 nm ve 7 nm'dir. Sonuç olarak Ni-Mg-MA katalizöründe gözlenen görece düşük hidrojen verimi bu katalizörde bulunan büyük Ni parçacıkları yüzündendir. Odaklı mikrodalga sisteminde gerçekleştirilen deneylerde daha kararlı ürün dağılımı ve karbon birikimi eliminasyonu gözlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Due to fast depletion of fossil fuel resources and related environmental impact of CO2 emissions, the interest in hydrogen as a clean energy carrier has recently increased. Hydrogen production from bio-ethanol, which already contains large amount of water, by steam reforming process, has shown excellent potential with CO2 neutrality and renewability. Steam reforming of ethanol (SRE) process has a highly complex reaction network including numerous side reactions which decrease hydrogen yield and have a negative effect on process economy. In addition, highly endothermic nature of the steam reforming of ethanol reaction raises the doubts on the economic feasibility of the process. Therefore, the main objectives in the present study are; (i) designing and synthesizing novel mesoporous catalysts which are highly active for steam reforming of ethanol reaction and highly stable in the presence of steam at elevated temperature conditions and (ii) developing a new reaction system that uses an alternative heat source which is more efficient than conventional heating. In the scope of the present study, Co-Mg and Ni-Mg incorporated mesoporous alumina type materials were synthesized following two different techniques; direct synthesis (one-pot) and impregnation routes with Co/Al or Ni/Al molar ratio of 0.10. Catalytic activities of the synthesized materials were tested in both conventionally heated and focused-microwave reactor systems available in our laboratory. Afterwards, several characterization techniques were applied to both fresh and used catalysts in order to understand the reasons of catalytic performance differences obtained. Co-Mg incorporated catalysts prepared by direct addition of Mg (Co-Mg-MA and Co@Mg-MA) and by impregnation/lack of Mg (Co-Mg@MA and Co@MA) showed very different behavior towards steam reforming of ethanol process. While catalysts synthesized by direct addition of Mg exhibited superior activity towards steam reforming of ethanol reaction with an average hydrogen yield of 5.2 out of the maximum hydrogen yield value of 6.0, the ones synthesized by impregnation/lack of Mg showed no activity for hydrogen production. The main product obtained with these catalysts was ethylene indicating that ethanol dehydration reaction dominated the reaction pathway over these catalysts. According to XRD and XPS analysis, Co-Mg-MA and Co@Mg-MA catalysts synthesized by direct addition of Mg involved Coo and CoO phases which are the active structures for SRE reaction. However Co-Mg@MA and Co@MA catalysts were mainly composed of CoAl2O4 structure and no Coo and CoO phases were observed in their framework which resulted in low activity towards SRE reaction. Additionally, DRIFTS analysis of pyridine adsorbed samples showed that acidity of catalysts prepared by impregnation/lack of Mg (Co-Mg@MA and Co@MA) was very high which can be considered as the main reason of relatively high selectivity of ethanol dehydration reaction over these catalysts. The best catalyst towards SRE reaction, Co@Mg-MA, was also tested in focused-microwave reaction system and it was observed that microwave-assisted SRE reaction provided slightly higher and more stable hydrogen yield. The most surprising outcome of microwave-assisted SRE reaction was that coke elimination was achieved, most probably due to the uniform temperature distribution reached under microwave heating which eliminates Boudouard reaction that is the main route for coke deposition. Unlike Co-Mg incorporated catalysts, a drastic difference was not observed between the hydrogen yields of Ni-Mg incorporated catalysts. Hydrogen yields obtained by Ni-Mg-MA, Ni-Mg@MA and Ni@Mg-MA catalysts were 4.0, 4.5 and 5.0, respectively. This slight difference was attributed to different Ni particle sizes of materials synthesized by different routes. It is a known fact that large Ni particles show higher catalytic activity in the methanation of CO which result in higher CH4 selectivity and lower H2 yield. According to XRD analysis, particle sizes of Ni-Mg-MA and Ni@Mg-MA were 20 nm and 7 nm, respectively. Therefore it is obvious that lower hydrogen yield observed in Ni-Mg-MA catalyst was due to the higher Ni particles present in its structure. The activity tests carried out in focused-microwave reactor system provided more stable product distribution and coke elimination.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    286186

    Sorption enhanced ethanol reforming over cobalt, nickel incorporated MCM-41 for hydrogen production

    Kobalt, nikel eklenmiş MCM-41 üzerinde hidrojen üretimi amacıyla adsorpsiyon destekli etanol reformlama

    SEVAL GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. TİMUR DOĞU

  2. Tez No

    520895

    Sorption enhanced reforming of ethanol over novel catalysts and microwave reactor application

    Etanolün yeni katalizörlerle adsorpsiyon destekli buharlı reformlanması ve mikrodalga reaktör uygulaması

    MERVE SARIYER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAİME ASLI SEZGİ

    PROF. DR. TİMUR DOĞU

  3. Tez No

    385050

    Ethanol steam reforming with zirconia based catalysts

    Etanolün zirkonyum bazlı katalizörlerle buharlı reformlanması

    ARZU ARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fen Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TİMUR DOĞU

  4. Tez No

    442156

    Hydrogen production from formaldehyde

    Formaldehıtten hidrojen üretimi

    CAN AĞCA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAİME ASLI SEZGİ

    PROF. DR. TİMUR DOĞU

  5. Tez No

    183499

    Hydrogen production from ethanol over silica supported cu and zn oxide catalysts

    Silisyum oksit destekli bakır oksit ve çinko oksit katalizörleri ile ethanolden hidrojen üretimi

    HABİBE IŞIL TEZEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. FİKRET İNAL

Geri Dön