بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله اثر ارتقا دهنده سریا بر عملکرد کاتالیست Ni/SBA-16 در فرآیند اکسیداسیون جزیی متان جهت تولید گازسنتز مورد بررسی قرار گرفت. کاتالیست Ni/SBA-16 با ارتقا دهنده سریا به روش تلقیح سنتز شده و در واکنش اکسیداسیون جزیی متان مورد استفاده قرار گرفت. ساختار کاتالیستهای تهیه شده با استفاده از آنالیز جذب سطحی نیتروژن - BET - و XRD تایید گردید.
عملکرد کاتالیستی در یک میکروراکتور بستر ثابت بررسی و میزان تبدیل CH4 در محدوده دمایی 700 تا 850 C بدست آورده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که ارتقا دهنده Ce در نسبت مولی Ni/Ce =1/1 در مقایسه با کاتالسیت Ni/SBA-16 بر درصد تبدیل متان تاثیری ندارد اما افزودن فلز مس با ترکیب کاتالیست Ni/SBA-16 با نسبت یکسان فعالیت کاتالیست را به میزان چشمگیری کاهش میدهد. همچنین مقایسه نتایج حاصل از عملکرد پایه SBA-16 در این پژوهش با نتایج حاصل از کاتالیستهای مشابه بر پایه SBA-15 بیانگر پتانسیل بالاتر این پایه در فرایند اکسیداسیون جزئی متان می باشد.
-1 مقدمه
با توجه به اهمیت روز افزون علمی و صنعتی گاز طبیعی در جهان، وجود منابع عظیم گاز طبیعی، اقتصادی نبودن انتقال آن به مراکز مصرف، نیاز روزافزون به سوختهای مایع تمیز و بالاخره روند رو به کاهش ذخایر نفت خام یافتن راهی مناسب برای استفاده بهینه از این منابع از اهمیت زیادی برخوردار میباشد. یکی از زمینههای تحقیقاتی موردعلاقه پژوهشگران، تبدیل گاز طبیعی یا متان به محصولات باارزش از طریق تولید گاز سنتز - مخلوطی از هیدروژن و مونوکسیدکربن - میباشد.
از رایجترین روشهای تولید گازسنتز میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
الف - ریفرمینگ متان با بخارآب که واکنش صورت گرفته در این فرآیند بهصورت زیر میباشد:[1]
ب - ریفرمینگ متان با دیاکسید کربن که واکنش صورت گرفته در این فرآیند بهصورت زیر میباشد[2]؛
ج - اکسیداسیون جزیی متان که واکنش صورت گرفته در این فرآیند بهصورت زیر می باشد[3]؛
با توجه به این که واکنش های صورت گرفته در فرایندهای ریفرمینگ با بخار آب و دی اکسید کربن به شدت گرماگیر بوده نیازمند دمای بالا می باشد بنابراین سرمایه گذاری سنگینی برای تامین انرژی لازم دارند . اما واکنش صورت گرفته در فرآیند اکسیداسیون جزئی نسبتا گرمازا میباشد که به دلیل عدم نیاز به منبع انرژی خارجی هزینه تولید به میزان قابل توجهی کاهش مییابد و نسبت به ریفرمینگ مرطوب بسیار سریعتر صورت میگیرد.علاوه بر این، نسبت H2/CO تولیدی در این واکنش 2 به 1 بوده که برای سنتز متانول و فیشرتروپس در فرایند GTL بسیار منلسب است.
در سالهای اخیر، اکسیداسیون جزئی متان به گاز سنتز به دلیل مزایای ذکر شده در بالا، یک از زمینه های پژوهشی مورد علاقه بسیاری از محققین می باشد. جهت انجام این واکنش تا کنون دو دسته اصلی از کاتالیست ها که فعالیت بالایی از خود نشان داده اند، معرفی شده اند: کاتالیستهای نیکل پایهدار و همچنین کاتالیستهای پایه دار فلزات نجیب. اگرچه کاتالیستهای براساس فلزات نجیب عملکرد بهتری نسبت به کاتالیستهای براساس نیکل از خود نشان داده اند اما هزینه بالای کاتالیست و همچنین دردسترس نبودن آنها باعث محدودیت استفاده از این دسته کاتالیست ها شده است.[5
از طرفی، اگرچه کاتالیستهای براساس نیکل هزینه پایینتری دارند اما تشکیل رسوب کربن و همچنین سینترینگ باعث غیرفعال شدن آن ها می شود.
راهکارهایی مختلفی جهت بهبود فعالیت کاتالیست نیکل در فرآیند اکسیداسیون جزئی متان پیشنهاد شده که یکی از آنها کوچک کردن اندازه ذرات نیکل است. برای این منظور ذرات نیکل را بر روی پایه های آلومینا[6] و یا سیلیکا متخلخل[7] پراکنده میکنند. پایه های آلومینا به دلیل داشتن سایت های قوی اسیدی، تشکیل رسوب کربن بر روی سطح کاتالیست را افزایش می دهند. در مقابل سیلیکاهای متخلخل منظم تقریبا خنثی بوده و جهت میزبانی نانو ذرات فلزی مناسبتر می باشند. این ذرات متخلخل به دلیل داشتن مساحت سطح ویژه بالا، پراکندگی ذرات نیکل را افزایش داده و ذرات نیکل به وسیله کانالها در چارچوب سیلیکا نشانده میشوند.
SBA-16 - شکل - 1یکی از سیلیکاهای متخلخل با ساختار سه بعدی مکعبی و حفرات با دیوارههای ضخیم بوده که به دلیل داشتن مقاومت حرارتی بالا [8] و همچنین توزیع ذرات کوچک نیکل بر روی سطح دارای پتانسیل بالایی جهت کاربرد در فرآیند اکسیداسیون جزئی متان می باشد. همچنین افزودن فلزات ارتقا دهنده نیز یکی از راهکارهای دیگر جهت بهبود توانایی کاتالیست نیکل در برابر رسوب کربن و سینترینگ می باشد.
در این پژوهش ابتدا سیلیکای متخلخل SBA-16 سنتز و ذرات نیکل با استفاده از روش تلقیح بر روی سطح آن پراکنده شدند و ساختار کاتالیست های تهیه شده با استفاده از آزمون BET مورد شناسایی قرار گرفت. همچنین اثر فلز Ce و Cu به عنوان ارتقا دهنده بر روی عملکرد کاتالیست Ni/SBA-16 در فرایند اکسیداسیون جزیی متان درون یک میکرو راکتور بسترثابت مورد مطالعه قرار گرفت.
شکل :1 تصویر سیلیکای SBA-16
-2 روش آزمایشگاهی
-1-2 مواد آزمایشگاهی
اسید کلریدریک %37 و تترا اتیل اورتو سیلیکات - TEOS1 - از شرکت مرک تهیه و مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین پلورونیک - F127 - 2 و Ni - NO3 - 2.6H2O و Ce - NO3 - 3.6H2O نیز از شرکت سیگما آلدریچ خریداری شد.
-1-2 تهیه کاتالیست
ابتدا پایه کاتالیست SBA-16 مطابق روش زیر تهیه شد. مخوط پلورونیک، آب مقطر و کلریدریک اسید 1/5 M با همزن مغناطیسی همزده شد و پس از گذشت یک ساعت، TEOS به صورت قطره ای به محلول قبلی اضافه گردید تا نسبت مولی محلول مطابق TEOS/F127/HCL/H2O = 1 :0/500: 5 : 175 تنظیم گردد و در دمای 40°C به مدت 20 ساعت همزده شد. پس از آن مخلوط به یک ظرف تفلونی سربسته انتقال داده شد و به مدت 24 ساعت درون آون با دمای 80°C قرار گرفت.
