Συντάχθηκε 16-09-2021 14:28
Τόπος: Εξ’ αποστάσεως - Ανοιχτή στο κοινό
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 27/09/2021 09:00
Λήξη: 27/09/2021 10:00
Τίτλος: Μελέτη των καταλυτών νικελίου και νικελίου-ρουθηνίου με φορέα το υλικό SBA-15 στη ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου προς παραγωγή αερίου σύνθεσης
Title: Study of a nickel-based and a nickel-ruthenium based catalyst supported on the SBA-15 material in dry reforming of methane to produce synthesis gas
Εξεταστική επιτροπή:
Πασαδάκης Νικόλαος, Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Ορικτών Πόρων, ΠΚ (Επιβλέπων)
Γεντεκάκης Ιωάννης, Καθηγητής Σχολής Χημικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, ΠΚ
Κομνίτσας Κωνσταντίνος, Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Ορικτών Πόρων, ΠΚ
Περίληψη:
Στη παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μελέτη δύο καταλυτών ενός νικελίου και ενός νικελίου-ρουθηνίου υποστηριγμένων στο μεσοπορπώδες υλικό SBA-15 στην αντίδραση της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου, προκειμένου να προσδιοριστεί ποιος από τους δύο εμφανίζει καλύτερη καταλυτική συμπεριφορά στην αντίδραση.
Η ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου, είναι μία ενδόθερμη χημική αντίδραση, η οποία μετατρέπει δύο αέρια του θερμοκηπίου, δηλαδή το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα, σε αέριο σύνθεσης, δηλαδή υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα.
Η ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου αλλά και η συνεχής εξάντληση των συμβατικών μορφών ενέργειας, προσδίδουν ενδιαφέρον στην αντίδραση αυτή, μιας και από το παραγόμενο αέριο σύνθεσης μπορεί να απομονωθεί το υδρογόνο, το οποίο αποτελεί καθαρό καύσιμο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου. Επίσης, η χρήση του αερίου σύνθεσης απευθείας σε κυψέλες καυσίμου μελετάται αρκετά. Η ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου συνάδει με την ετερογενή κατάλυση, δηλαδή τη χρήση ορισμένων ουσιών που ονομάζονται καταλύτες (οι οποίες βρίσκονται σε διαφορετική φάση από τις ουσίες της αντίδρασης), με σκοπό να αυξήσουν το ρυθμό της αντίδρασης. Τα τελευταία χρόνια, χρησιμοποιούνται ευρέως μονομεταλλικοί καταλύτες νικελίου αλλά και διμεταλλικοί όπως νικελίου-ρουθηνίου στη συγκεκριμένη διεργασία, αφού τα ευγενή μέταλλα όπως το ρουθήνιο φαίνεται να λειτουργούν αποτελεσματικά ως προωθητές. Επίσης, το μεσοπορώδες υλικό SBA-15 σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, διαδραματίζει αποτελεσματικά το ρόλο του φορέα.
Οι δύο καταλύτες που μελετήθηκαν, είχαν σύσταση 5,87%wt Ni/SBA-15 και 3,0%wt Ru-4,13%wt Ni/SBA-15 και παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα χαρακτηρισμού των καταλυτών με τις μεθόδους BET (Brunauer Emmet Teller), χημειορόφησης υδρογόνου και TPR (Temperature Programmed Reduction) υδρογόνου. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σταθερότητας προκειμένου να γίνει έλεγχος της καταλυτικής επίδοσης των δύο καταλυτών, υπό αναγωγικές αλλά και υπό οξειδωτικές συνθήκες. Η βασική αποδοτικότητα των καταλυτών εξετάσθηκε μέσω των πειραμάτων κινητικής (light off), δηλαδή μέσω της μελέτης της εξάρτησης κάθε ποσοστού μετατροπής (των αντιδρώντων) και παραγωγής (των προϊόντων) από τη θερμοκρασία.
Μετά την ολοκλήρωση των πειραμάτων και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων, προέκυψε ότι ο μονομεταλλικός καταλύτης νικελίου σε SBA-15 παρουσίασε μεγαλύτερη σταθερότητα σε σχέση με τον διμεταλλικό καταλύτη νικελίου-ρουθηνίου σε SBA-15, και εμφάνισε μεγαλύτερη ενεργοποίηση μετά την οξείδωσή του. Η προωθητική δράση του ρουθηνίου φαίνεται μόνο στις πρώτες ώρες των πειραμάτων σταθερότητας.
Abstract: In the present diploma thesis, two catalysts, one nickel-based and one nickel-ruthenium-based, both supported on the SBA-15 mesoporous silica in the dry reforming of methane are examined, in order to determine which one exhibits the best catalytic behavior.
The dry reforming of methane is an endothermic chemical reaction that converts two greenhouse gases, namely methane and carbon dioxide, into synthesis gas, namely hydrogen and carbon monoxide.
The aggravation of the greenhouse effect but also the continuous exhaustion of conventional forms of energy sources, add scientific interest to this reaction, since hydrogen, which is pure fuel and can be used in fuel cells, could be isolated from the synthesis gas produced. Also, the use of synthesis gas directly in fuel cells is continuously studied. The dry reforming of methane is consistent with heterogeneous catalysis, that is, the use of certain substances called catalysts (which are in a different phase from the reaction substances), in order to increase the rate of the reaction. In recent years, nickel monometallic catalysts as well as bimetallic ones such as nickel-ruthenium have been widely used in this process, since noble metals such as ruthenium appear to function effectively as promoters. Also, the SBA-15 mesoporous silica, according to the references, is really effective as a support.
The two catalysts examined here had a composition of 5,87%wt Ni/SBA-15 and 3,0%wt Ru-4,13%wt Ni/SBA-15 respectively and were constructed at the laboratory. Experiments were performed to characterize the catalysts using the BET (Brunauer Emmet Teller), hydrogen chemisorption and hydrogen TPR methods. Stability experiments were also performed to test the catalytic performance of the two catalysts, under both reducing and oxidizing conditions. The basic efficiency of the catalysts was examined through kinetic experiments (light off), i.e. through the study of the dependence of each conversion percentage (of reactants) and yield percentage (of products) on temperature.
After execution of the experiments and processing of the results, it was found that the nickel monometallic catalyst supported on SBA-15 showed greater stability than the nickel-ruthenium bimetallic catalyst supported on SBA-15. The specific one also showed greater activation after oxidation. The promotional effect of ruthenium appears only in the first hours of the stability experiments.
