بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق فرآیند ریفرمینگ متانول با بخار آب با استفاده از نانوکاتالیست Cu/ZnO/ZrO2-CNT در یک راکتور بستر ثابت و در فشار اتمسفری مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور ابتدا نانوکاتالیست Cu/ZnO/ZrO2-CNT با استفاده از روش همرسوبی سنتز شده و خصوصیات آن با استفاده از آنالیزهای XRD ، FTIR ، BET ، FESEM تعیین گردید. همچنین پارامترهایی عملیاتی مانند دمای فرآیند و دبی خوراک جهت دستیابی به شرایط بهینه مورد بررسی قرار گرفت.
با توجه به دادههای آزمایشگاهی در دماهای بالاتر میزان تبدیل متانول افزایش پیدا نمود در حالی که با افزایش دبی خوراک میزان تبدیل متانول به دلیل زمان ماند کوتاهتر، کاهش یافت. در دمای بهینه 280 درجه سانتیگراد و دبی 0 /02تاثیر ارتقادهندههای ZnO وZrO2 بر کاتالیست-Cu CNT مورد بررسی قرار گرفت که درصد تبدیل متانول و بازده هیدروژن بالاتری نسبت به کاتالیست بدون ارتقادهندههای ZnO وZrO2 بدست امد و همچنین گزینشپذیری منوکسیدکربن از 3/1به1/7کاهش یافت.
1 -مقدمه
هیدروژن یک انرژی پاک ، تجدیدپذیر و پایدار است که انتظار میرود درآینده سیستمهای انرژی هیدروژن بتدریج جایگزین سوختهای فسیلی شود هیدروژن به دلیل تمایل واکنشدهندگی بالا و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایدهآل در پیل سوختی مورد توجه محققان قرار گرفته است
یکی از راههای تولید هیدروژن از طریق ریفرمینگ با بخار آب است. در سالهای اخیر در تحقیقات بسیاری از متانول به دلیل ارزان بودن، دسترسی آسان و بازده بالا به عنوان خوراک فرآیند ریفرمینگ با بخار آب استفاده شده است. واکنشهای فرآیند ریفرمینگ متانول با بخارآب بصورت زیر میباشد:
واکنش - 1 - واکنش اصلی ریفرمینگ و واکنش - 3 - واکنش شیفت آب-گاز1 است که طی آن منوکسید کربن تولید شده از تجزیه متانول در واکنش - 2 - ، به دیاکسیدکربن تبدیل میگردد. جهت دستیابی به بالاترین مقدار هیدروژن در واکنشهای فوق، میبایست نسبت آب و متانول و نیز درجه حرارت به شدت کنترل شود.
کاتالیستهای مورد استفادهدر فرآیند ریفرمینگ متانول با بخار آب به دو دسته تقسیم می شوند: گروه اول کاتالیستهای بر مبنای مس هستند که از فعالیت و گزینشپذیری بالایی برخوردار هستند. دسته دوم کاتالیست های گروه 8-10 میباشند که نسبت به کاتالیستهای مسی، هیدروژن کمتری تولید میکنند اما پایداری دمایی بهتری دارند. به طور کلی کاتالیستهای بر مبنای مس فعالترین کاتالیستها برای ریفرمینگ متانول با بخار آب میباشند . [2 ] از پایههای مورد استفاده در سنتز کاتالیستهای تبدیل متانول میتوان به زیرکونیا - ZrO2 - ، سریا - CeO2 - ، سیلیس - SiO2 - و آلومینا - Al2O3 - اشاره نمود .
درسالهای اخیر استفاده از نانولولههایکربنی - CNT - 2 جهت ساخت کاتالیستهای کارآمد در فرآیندهای تولید هیدروژن به شدت افزایش یافته است. نانولولههایکربنی استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی بالایی دارند و بیش از پایههای معمول مانند Al2O3، SiO2 سایتهای نگهدارنده ایجاد میکنند. همچنین فعالیت کاتالیستی نانوذرات فلزی میتواند در حفرهها یا در دیواره خارجی نانولولههای کربنی انجام شود
مطالعات کاتالیستی انجام شده روی سیستمهای که از نانولولههایکربنی استفاده شده است نتایج امیدوارکنندهای را از نظر گزینش پذیری و فعالیت نشان می دهند
در این کار تحقیقی از نانوکاتالیست Cu/ZnO/ZrO2-CNT در فرآیند ریفرمینگ متانول با بخار آب استفاده شده است. همچنین اثر ارتقادهندهها برعملکرد کاتالیست Cu-CNT بصورت درصد تبدیل خوراک، بازدهی هیدروژن و گزینشپذیری محصولات گازی مورد ارزیابی قرارگرفت.
-2 روش تحقیق
برای ساخت نانوکاتالیستCu/ZnO/ZrO2-CNT از نانولولههایکربنی به عنوان پایه برای کاتالیست استفاده شد. در ابتدا برای ایجاد گروههای عاملی روی سطح نانولولههای کربنی به یک گرم از آن 100میلی لیتر اسید نیتریک افزوده شد و به مدت 12ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد بر روی همزن مغناطیسی قرار گرفت. سپس نانولولههای کربنی با استفاده از کاغذ صافی فیلتر شده و با آب مقطر چندین مرتبه شستشو داده شد تا pH آن به 7 رسید.
سپس نانولولههای کربنی به مدت 4 ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد در آون خشک شدند. در مرحله بعد برای نشاندن ذرات فلزی مس، روی و زیرکونیوم بر روی نانولولههای کربنی عاملدار شده از روش هم-رسوبی استفاده شد. در این روش نانولولههای عاملدارشده به همراه اتانول و محلول 0/01 مولار نیترات مس، روی و زیرکونیوم در دمای محیط به مدت 5 ساعت بطور مداوم همزده شد.
سپس محلول در دمای70درجه سانتیگراد قرار گرفت و محلول0/01مولار سدیم هیدروکسید به محلول اضافه شد تا زمانی که pH محلول به7 برسد. سپس نمونه با استفاده از سانتریفیوژ از محلول جدا و با آب مقطر شستشو داده شد تا یونهای مزاحم مانند Na+ حذف شوند. در نهایت نمونه در دمای 100 درجه سانتیگراد خشک و در دمای 300 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت کلسینه شد. مراحل سنتز نانوکاتالیستCu/ZnO/ZrO2-CNT در شکل 1 نشان داده شده است.
- الف -
- اضافه نمودن نانولولهها به 100 میلیلیتر اسید نیتریک 68 درصد حرارتدهی مخلوط فوق به مدت 12 ساعت روی همزن مغناطیسی در دمای 80 درجه سانتی
- فیلتر کردن مخلوط و شستشوی نانولولههای عاملدار شده با آب تا رسیدن pH به 7 خشک کردن مخلوط در آون در دمای 80 درجه سانتیگراد و شرایط اتمسفریک به مدت 4 ساعت
نانولولههایکربنی عاملدار
- ب
- افزودن نانولولههایکربنی عاملدار به اتانول و محلول0/01 مولار نیترات مس ،روی و زیرکونیوم هم زدن مخلوط فوق به مدت5 ساعت روی همزن مغناطیسی در دمای محیط
- اضافه کردن سدیم هیدروکسید به محلول در دمای 70درجه سانیگراد تا زمانی که pH آن به 7 برسد
- جداسازی نانولولههایکربنی از محلول بااستفاده از سانتریفیوژ و شستشوی آن با آب مقطر خشک کردن مخلوط در آون در دمای 100 درجه سانتیگراد و شرایط اتمسفریک به مدت 12ساعت
- کلسیناسیون نمونه در دمای300 درجه سانتیگراد وبه مدت2 ساعت نانوکاتالیست Cu/ZnO/ZrO2-CNT
شکل 1 مراحل سنتز نانوکاتالیست: Cu/ZnO/ZrO2-CNT - الف - عاملدار کردن نانولولههای کربنی - ب - نشاندن فاز فعال مس، روی و زیرکونیوم بر روی نانولولههای کربنی عاملدار شده با روش همرسوبی
مشخصات مواد به کارفته در سنتز نانوکاتالیست Cu/ZnO/ZrO2-CNT در جدول 1 ارائه شده است.
جدول 1 مشخصات مواد شیمیایی مورد استفاده در سنتز نانوکاتالیست Cu/ZnO/ZrO2-CNT
