An environmentally friendly and cost-free catalyst with exceptionally high and stable performance for COx-free hydrogen generation from ammonia: Red mud modified by simple treatments
Amonyaktan COx açığa çıkartmadan hidrojen üretimi için yüksek ve stabil performanslı, çevre dostu ve maliyetsiz katalizör: Basit metodlarla modifiye edilmiş kırmızı çamur
- Tez No: 434270
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. ALPER UZUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Fosil yakıtlara alternatif en çok umut vadeden enerji taşıyıcısı hidrojenin depolanmasında ve taşınmasında, hidrojenin oldukça düşük kaynama sıcaklığı, gaz fazında düşük yoğunluğu ve sıvı fazda yüksek yoğunluğu gibi özelliklerinden dolayı, sorunlarla karşı karşıya kalınmaktadır. Bu sebeple, hidrojenin güvenli ve etkili depolanmasına bir çözüm olarak amonyağın bir depolama aracı olarak kullanılması önem kazanmaktadır. Çünkü amonyak karbon içermemekte, kütlece oldukça yüksek bir miktarda hidrojen içermekte (%17.7) ve var olan altyapısı sayesinde taşınmasında sorun yaşanmamaktadır. Amonyaktan hidrojen üretme tepkimesi için en yüksek performansı gösteren katalizörler yüksek maliyetli Ru bazlı katalizörlerdir ve bu katalizörlere alternatif Ni ve Fe bazlı katalizörler önemli ölçüde daha az maliyetlidir. Kırmızı çamur, alüminyum üretimi esnasında her bir ton alüminyum üretilirken iki ton açığa çıkan bir endüstriyel atıktır. Kırmızı çamur, yüksek alkalilik ve içerdiği bazı toksik malzemelerden dolayı tehlikeli atıklar kategorisinde yer alarak çevre için bir tehdit oluşturmaktadır. İçeriğinde Fe, Al, Si ve Ti gibi elementlerin oksitleri bulunmaktadır. Kırmızı çamur, içerdiği bu malzemeler dolayısıyla seramik, yapı malzemeleri ve kataliz gibi alanlarda kullanılmak için oldukça uygundur. Bu tezde, Seydişehir Eti Alüminyum'dan alınan % 35'den fazla demir oksit içeren kırmızı çamur, amonyaktan hidrojen üretme reaksiyonu için maliyeti olmayan, yüksek ve stabil performans gösteren bir katalizöre dönüştürülmüştür. İlk olarak, fabrikadan geldiği haliyle olan kırmızı çamur, asitte çözme ve ardından sıvı amonyak ile çöktürme gibi basit muamele yöntemlerine maruz bırakılmış ve bu sayede fiziksel ve kimyasal özelliklerinin geliştirilmesi sağlanmıştır. Bu modifikasyon yöntemlerini uygularken, muamele parametreleri sistematik bir biçimde değiştirilmiş ve muameleden önce ve sonra numuneler ayrıntılı bir şekilde XRD, XRF ve FTIR spektroskopisi ile, SEM, TGA ve ICP-MS karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiştir. Asitle modifikasyon sırasında değiştirilen parametreler; kullanılan asit çeşidi (HCl ve H2SO4), kullanılan asidin molaritesi (2M-6M), asit muamelesinin yapıldığı sıcaklık (85 ve 220 °C) ve kalsinasyon sıcaklığıdır (300 - 500 °C). Genel olarak tüm muamele edilmiş kırmızı çamur numunelerinde, demir oksitin kütlece yüzdesinin arttığı ve yüzey alanının arttığı gözlemlenmiştir. Bu muamele edilmiş numunelerin 500 °C'de katalitik performans ölçümleri göstermiştir ki, 232 m2/g değerinde en yüksek yüzey alanına sahip numune (220 °C'de 6M HCl asidi ile muamele edilen MRM-2 isimli numune) olağanüstü yüksek bir aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu yüksek aktivasyon enerjisi bu numunenin katalitik performansının sıcaklığa oldukça hassas olduğunu göstermektedir. Bu sebeple, bu muamele edilmiş numune daha ileri bir düzeyde incelenmiş ve 700°C'de de amonyaktan hidrojen üretme tepkimesi için performansı test edilmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki, 700 °C 'de ve 72 000 cm3 NH3 h-1 gkat-1 akışı altında, MRM-700R@700, stabil % 97 0.5 değerinde bir dönüşüm oranı vermektedir. Bu değer, literatürdeki diğer soy olmayan metaller arasında en yüksek değerdir. MRM-700R@700 katalizöründe bu yüksek ve stabil performansı veren parçacıkların, reaksiyon öncesi katalizörü 10 saat boyunca NH3 akışına maruz bıraktıktan sonra oluşan nitrürlenmiş demir (-Fe2N) olduğu açığa çıkarılmıştır. Bu maliyeti olmayan yüksek performanslı katalizör ile detaylı fizibilite çalışması da yapılmıştır. Kırmızı çamurun amonyaktan hidrojen üretimi reaksiyonu için katalizör olarak kullanımı başlıca iki olanak sağlamaktadır. Bunlardan ilki, çok yüksek miktarlarda açığa çıkan ve tehlikeli sınıfına giren bir endüstriyel atığın kullanımını sağlamaktır. İkincisi ise, COx açığa çıkarmayan amonyaktan hidrojen üretimi reaksiyonu için, stabil, yüksek performansa sahip ve maliyeti olmayan bir katalizör elde etmiş olmaktır.
Özet (Çeviri)
Hydrogen, considered as one of the most promising alternative energy carriers, faces storage and transportation problems due to its very low boiling point, extremely low density in gaseous phase and very high density in liquid phase. Therefore, the utilization of ammonia as a storage medium for hydrogen can be a solution to the safe and effective storage problem of hydrogen. Because, it is carbon free, has a high hydrogen density (17.7 wt.%), and has an already existing infrastructure. Best performing catalysts for hydrogen production by ammonia decomposition are Ru-based catalysts suffering from high costs, whereas Ni- and Fe-based counterparts have significantly lower costs. Red mud is a by-product formed during the alumina production process, produced approximately two tons for each ton of aluminum produced. It is considered as a hazardous industrial waste due to its high alkalinity and toxic content, which makes it harmful to the environment. It contains compounds which are the oxides of mainly Fe, Al, Si, and Ti. These elements makes red mud attractive in utilizing it in application areas such as ceramics, construction, and catalysis. In this thesis, Turkish red mud, from Seydişehir, with an iron oxide content of more than 35%, was converted into a cost-free catalyst for hydrogen production by ammonia decomposition with record high stable performance. Firstly, as received red mud was subjected to simple treatment methods including acid digestion followed by ammonia precipitation to enhance the physical and chemical properties. While performing these modifications, treatment parameters were systematically varied and resulting samples were deeply characterized by XRD, XRF, and FTIR spectroscopy, SEM, TGA, and ICP-MS before and after modification. The parameters which were investigated were the type of acid used for digestion (HCl and H2SO4), molarity of the acid (2M-6M), digestion temperature (85 and 220 °C), and calcination temperature (300 - 500 °C). In general, in the modified samples, iron oxide amount was enhanced and surface area values were increased. After performing the catalytic activity measurements of these modified red mud samples at 500 °C, it was revealed that the sample with the highest surface area value of 232 m2/g (that was digested at 220 °C in 6M HCl, MRM-2) has an exceptionally high activation energy indicating a high temperature dependency. Thus, this modified red mud sample was further investigated for hydrogen production by ammonia decomposition at a higher temperature, at 700°C. MRM-700R@700 provided stable 97 0.5 % conversion for a space velocity of 72 000 cm3 NH3 h-1 gcat-1 at 700 °C, which is a record high value among all non-noble metal catalyst reported in the literature. It was elucidated that an activation period of 10 h under NH3 flow prior to the reaction forms the nitrided iron specie -Fe2N in MRM-700R@700, which is responsible for this high and stable performance. Detailed feasibility study was also performed on the economics of hydrogen production on such a cost-free catalyst based on these performance values. Utilization of red mud as a catalyst for hydrogen production by ammonia decomposition provides opportunities for i) the utilization of such a hazardous waste produced in vast amounts; ii) having a cost-free, highly active and stable catalyst for COx-free hydrogen production by ammonia.
Benzer Tezler
- The rational design of heterogeneous photocatalysts for the tandem photocatalytic hydrogen evolution and reduction of organic compounds in water
Suda tandem fotokatalitik hidrojen üretimi ve organik bileşiklerin indirgenmesi için heterojen fotokatalizörlerin rasyonel tasarımı
BEGÜMHAN KARAPINAR KOÇ
- Membran reaktörde izopropil asetat üretiminin incelenmesi
Investigation of isopropyl acetate production in the membrane reactor
NAZLI YENİHAN YÜZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLÜFER HİLMİOĞLU
- Propiolated castor oil:A novel and highly versatile bio-based platform for extremely fast, catalyst- and solvent-free amino-yne click reactions
Propiyole hint yağı: Son derece hızlı, katalizör ve çözücü içermeyen amino-in klik reaksiyonları için yeni ve çok yönlü biyo-bazlı bir platform
BÜŞRA ÇELİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN DURMAZ
- Kükürt katalize aminlerin formilasyonu
Sulfur -catalyzed N-formylation reactions of amines
MUSTAFA KARATAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
KimyaKaramanoğlu Mehmetbey ÜniversitesiFen Bilimleri ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKTAY TALAZ
- Boya duyarlı güneş hücreleri için farklı akseptör grupları içerenkinolin bileşiklerinin sentezi
Synthesis of quinoline compounds with different acceptor groups for dye-sensitive solar cells
FATİH KAPLAN