بخشی از مقاله
چکیده
دیاکسید گوگرد یکی از مهمترین آلایندههای عصر جدید در اتمسفر کره زمین است. این ماده خطرناک با آلوده کردن هوای تازه و یا از بین بردن آبزیان، گیاهان و حاصلخیزی خاک از طریق بارانهای اسیدی میتواند به سرعت زندگی همه موجودات زنده را به مخاطره بیاندازد. یکی از روشهای نوین و بهینه از نظر اقتصادی برای جلوگیری از انتشار SO2 تبدیل آن به گوگرد طی واکنش کاتالیستی با متان است. در این کار هدف ساخت کاتالیست نیکل %10 وزنی بر پایه آلومینا با روش اشباعسازی و انجام آزمایشهای راکتوری به منظور بررسی کارایی این کاتالیست از نظر درصد تبدیل SO2 و گزینش پذیری گوگرد تولیدی میباشد. با توجّه به نتایج بدست آمده، روش اشباعسازی راهکاری مناسب برای ساخت کاتالیست نیکل بر پایه آلومینا بوده و کاتالیست ساخته شده دارای سطح ویژه و تخلخل بالایی میباشد. همچنین بر اساس آزمایشهای راکتوری افزودن %10 فلز نیکل بر پایه آلومینا که خود یک کاتالیست مناسب برای این فرآیند است، موجب دستیابی به درصد تبدیل بالای %99,5 برای SO2 و گزینش پذیری بالای %95 برای گوگرد تولیدی شد.
کلمات کلیدی: حذف دیاکسید گوگرد، احیاء SO2 به گوگرد، متان، FGD، کاتالیست نیکل-آلومینا، محیط زیست
.1 مقدمه
مهمترین آلودگی در زندگی انسانها و سایر موجودات زنده، آلودگی هوا است. در بین آلایندههای هوا به جز آن دسته که ناشی از فعالیّتهای طبیعی چرخه زندگی در کره زمین هستند، دیاکسید گوگرد بیشترین نقش و خطر را داراست. این ماده میتواند به صورت مستقیم از طریق آلوده کردن هوای مورد نیاز موجودات زنده و یا از طریق باران اسیدی با آلوده کردن آبهای آشامیدنی و تخریب حاصل خیزی خاک و گیاهان، حیات و زندگی را به شدّت تخریب سازد. از اوایل قرن نوزدهم میلادی با سرعت گرفتن هرچه بیشتر صنعت و گسترش نیازهای انسانها، تولید دیاکسید گوگرد هم به شدت افزایش یافت. منابع تولید کننده این آلاینده به دو دسته کلّی ثابت و متحرک تقسیم میشوند. منابع ثابت عبارتند از صنایع متالورژی - مس، روی، سرب و... - ، صنعت نفت و گاز و هر صنعتی که از سوزاندن سوختهای فسیلی چه برای تولید انرژی و چه برای تولید مواد اولیه استفاده میکنند. منابع متحرک نیز، همه وسایل نقلیهای هستند که در دود خروجی اگزوز آنها SO2 حضور دارد، مانند خودروها، قطارها، کشتیها و ... .
وجود معادن بسیار، صنعت نفت وگاز و پتروشیمی گسترده و تعداد بالای وسایل نقلیه در ایران، موجب لزوم توجّه به آلودگی و انتشار دیاکسید گوگرد در کشور شده استبه. طور کلّی روشهایی که برای جلوگیری از انتشار SO2 در دنیا به کار میرود، مشمول دو دسته یکبار مصرف و تجدیدپذیر میشوند. در روشهای یکبار مصرف که پرکاربردترین راه حل برای این مشکل هستند، از نوعی جاذب مانند آهک، سنگ آهک و یا کربنات سدیم در مسیر خروجی دودکش استفاده میشود تا مقدار دیاکسید گوگرد در گاز خروجی به زیر محدوده استاندارد کاهش یابد. امّا مشکل این فرآیندها تولید زبالههای بیمصرف یا گاهی کم مصرف میباشد، که نتیجه آن محدودیّت در استفاده از این روشها است.[1]
امّا در روشهایدیدپذیرتج که چندسالیست توجّه محقّقین و صنعتگران را به خود جلب کرده است، هدف تبدیل کاتالیستی SO2 به یک محصول مناسب مانند اسید سولفوریک و یا گوگرد عنصری میباشد. در این صورت به موازات حذف یک آلاینده مضر، محصولی با ارزش افزوده تولید خواهد شدالبتّ.ه به غیر از مواردی که نیاز به اسید سولفوریک در همان محل وجود دارد، تولید گوگرد به دلیل سهولت در ذخیرهسازی، حمل و نقل، و فروش میتواند گزینه بهتری باشد. در مقاله حاضر نیز، تبدیل کاتالیستی SO2 به گوگرد در واکنش با متان مورد نظر است. در این فرآیند به جای متان میتوان از واکنشگرهای دیگری هماستفاده کرد امّا به دلیل فراوانی و قیمت پایین متان در کشور ایران به ویژه با نگاه صنعتی سازی به طرح مذکور، این گاز انتخاب مناسبی به نظر میرسد. واکنش اصلی تبدیل دیاکسید گوگرد به گوگرد با متان مطابق رابطه - 1 - انجام میشود: 2SO2 + CH4 2S + CO2 + 2H2O - 1 -
قابل ذکر است گوگرد تولید شده در این رابطه میتواند به فرمهای S2 ، S4 و S8نیز باشد. با توجّه به مضایای نام برده حاصل از این فرآیند، در سالهای اخیر کاتالیستهای متفاوتی مانند آلومینای فعّال، بوکسیت ها و ترکیبات فلزات واسطه مانند نیکل، مس، سریم، لانتانوم و کوبالت به صورت دوتایی و سهتایی[2 -6]، و حتی سولفید فلزات مانند سولفید مولیبدن[7]، ساخته و آزمایش شده استامّا. ساخت کاتالیستهای فلزات واسطه بر پایه آلومینا در کار پیشرو برای واکنش SO2 با متان، اوّلین بار است که انجام میشود. هدف از این تحقیق ساخت کاتالیست نیکل %10 وزنی بر پایه آلومینا و بررسی میزان درصد تبدیل SO2 در کنار مقدار تولید محصولات جانبی مضر H2S و COS استچراکه. با توجّه به تحقیقات قبلی فلز نیکل عالیّتف بالایی در این واکنش دارد. از سوی دیگرآلومینا فعّال که خود یک کاتالیست مناسب برای این فرآیند است سطح ویژه بالایی داشته و ترکیب این دو ماده میتواند گزینه مناسبی جهت انجام واکنش با درصد تبدیل بالا و گزینش پذیری مناسب باشد.
.2 مواد و روش ها
آلومینا استفاده شده به عنوان پایه در این کار گلولههایی با قطر کمتر از 4mm بودند. نیترات فلز نیکل از شرکت مرک مورد استفاده قرار گرفت. برای ساخت کاتالیستها از روش اشباعسازی استفاده شد.[8] روش ساخت ابتدا: با توجّه به محاسبات انجام شده برای کاتالیست نیکل%10 وزنی بر پایه آلومینا، نیترات نیکل در مقدار مشخصی آب مقطر حل شدو آنقدر زمان داده شد تا محلول کاملاً یکنواخت شود. سپس به اندازه مشخص از پایههای آلومینا به مخلوط اضافه شد و حدود یک ساعت، هر 10 دقیقه یکبار مخلوط بهم زده شد تا شرایطی یکنواخت در آن پدید آید. پس از این مرحله، مخلوط آماده شده به مدت 24 ساعت در دمای 120 C درون آون قرار گرفت تا خشک شود. در گام بعدی کاتالیستهای خشک آماده شده، برای انجام فرآیند تکلیس به مدت 4 ساعت و با دمای 550 C درون کوره قرار داده شدند. پس از پایان تکلیس و تا لحظه انجام آزمایشهای راکتوری، کاتالیستها در ظرف مخصوص و درون دسیکاتور به منظور جلوگیری از جذب رطوبت نگهداری شدند.
آزمایشهای راکتوری : برای بررسی کارایی کاتالیستهای ساخته شده، سامانه مناسبی مطابق شکل1 طراحی و ساخته شد. همانطور که از شکل پیداست، راکتور فرآیند از نوع بستر ثابت بوده که به صورت عمودی درون کورهای ژاکت مانند قرار گرفته است. خوراک ورودی متشکل از سه گاز آرگون - با مقدار غالب - ، SO2 و متان - با نسبت استوکیوکتری - از پایین وارد شده و پس از گرم شدن و اطمینان از رسیدن به دمای مطلوب، با بستر کاتالیستی مواجه شده و واکنشها انجام میشود. سپس جریان خروجی از بالای راکتور به دو دسته تقسیم میشود، یکی به سمت سیستم حباب-ساز برای خنثی سازی رفته و دیگری به سمت دستگاه Mass Spectrometer - MS - جهت آنالیز دادهها میرود. دستگاه MS استفاده شده در این کار ساخت شرکت Leda Mass میباشد که توان آنالیز 12 نوع گاز مختلف با دقت ppm را به صورت آنلاین داراست.
