بخشی از مقاله
چکیده
تولید هیدروژن از ریفرمینگ متانول یکی از مسائل کلیدي در جهت توسعه دستگاههاي مجهز به پیل سوختی از جمله وسایل نقلیه الکتریکی است. در این تحقیق فرآیند ریفرمینگ متانول با بخار آب با استفاده از نانوکاتالیست مزوحفره Cu/SBA-15 در یک میکرو راکتور و در فشار اتمسفریک مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور ابتدا کاتالیست با استفاده از روش تلقیح سنتز شد و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن توسط آنالیزهاي XRD، BET تعیین گردید. براي دستیابی به شرایط عملیاتی مطلوب، واکنش در محدوده دمایی 260-340 ، WHSV و نسبت متفاوت مولی آب به متانول براي خوراك وروردي مورد بررسی قرار گرفت. همچنین کاتالیست با درصد هاي مختلفی از مس تلقیح شد که نمونه 10%Cu/SBA-15 بهترین عملکرد کاتا لیستی را در دماي 300 درجه سانتی گراد از خود نشان داد. براي این کاتالیست میزان تبدیل متانول به90,96 درصد و گزینشپذیري گاز هیدروژن به 80,22 درصد رسید.
واژههاي کلیدي: ریفرمینگ متانول، هیدروژن، نانوکاتالیست Cu/SBA-15، میکرو راکتور
-1 مقدمه
امروزه با افزایش نگرانیها در مورد کاهش سوختهاي فسیلی و مشکلات مرتبط با محیط زیست، تحقیقات مختلفی در رابطه با توسعه و استفاده از انرژيهاي جایگزین شده است. به طور خاص، هیدروژن به دلیل راندمان بالا، فروانی آن و پایداري زیست محیطی میتواند به عنوان یک حامل انرژي قابل اعتماد و امیدوارکننده در پیلهاي سوختی جهت تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار گیرد .[2 ,1] پیلهاي سوختی قابل حمل میتوانند با دو روش اساسی با هیدروژن تامین شوند. روش اول ذخیرهسازي مستقیم به عنوان گاز تحت فشار، مایع فریز، سوخت جامد از هیدریدهاي فلزي، هیدرید هاي شیمیایی یا نانولولههاي کربنی است.
روش دیگر تولید هیدروژن در محل از طریق ریفرینگ هیدروکربنهاي مایع است. ریفرمینگ متانول یا دیگر هیدروکربنهاي مایع در راکتورهایی با مقیاس کوچک میتواند به دلیل بازسازي کم هزینه شبکههاي انرژيموجود براي حمل و نقل سوخت مایع یکی از گزینههاي مناسب براي تامین هیدروژن باشد. ریفرمینگ با بخار 1 - STR - ، اکسیداسیون جزئی 2 - POX - و ریفرمینگ اتوترمال 3 - ATR - سه تکنیک مهم براي تولید هیدروژن از متانول است .[3] از میان این سه واکنش ریفرمینگ متانول با بخار آب به علت دماي پایین براي انجام واکنش، حلالیت خوب متانول با آب و غلظت بالاي هیدروژن و غلظت کم منوکسید کربن در گاز حاصل از ریفرمینگ توجه بیشتري را به خود جلب کردهاست .[4]
واکنشهاي اصلی براي فرآیند ریفرمینگ متانول به صورت زیر می باشد :[6 ,5]راکتورهاي میکرو کانال با پوشش کاتالیستی به دلیل مزایاي مربوط به هیدرودینامیک، انتقال حرارت و جرم یک گزینه مناسب و امیدوارکننده براي دستگاههاي الکترونیکی قابل حمل با توجه به فشردهسازي در ساختار پیلهاي سوختی است. در طراحی معمول سیستمهاي ریفرمینگ، راکتورهاي بستر ثابت قرار دارند که با ذرات کاتالیست پر شدهاند، از معایب این راکتورها نیاز به قدرت بالا براي پمپاژ و به حرکت درآوردن واکنش دهندهها و جریان محصولات از میان راکتور و انتقال حرارت ضعیف است. انتقال حرارت کارآمد در واکنش ریفرمینگ متانول بسیار مهم است، زیرا این واکنش بسیار گرماگیر است. میکرو راکتورهاي فلزي، با ساختار میکرو و کانالهایی با ابعاد کمتر از 1 میلیمتر، مزایاي بالقوه انتقال حرات و جرم را بهبود میبخشد.
در این راکتورها نسبت سطح به حجم بالاتر کنترل دقیقتر دماي واکنش درون مناطق قابل اشتعال که باعث کاهش نقاط داغ میشود صورت میگیرد .[7]کاتالیستهاي مبتنی بر مس به دلیل فعالیت و گزینشپذیري بالا، در فرآیند ریفرمینگ متانول با بخار آب بیشترین کاربرد را دارند. با این حال امکان کلوخه شدن این کاتالیستها در دماي بالا وجود دارد و همین امر تحقیقات را به سمت دسته دیگري از کاتالیستها هدایت کرد. در مقایسه با کاتالیستهاي مسی، کاتالیستهاي گروه 8-10 در تحقیقات گزارش شدهاند که از پایداري بالاتر و گزینشپذیري برابر برخوردارند، اما از لحاظ فعالیت کاتالیستی ناکارآمد هستند و تولید هیدروژن کمتري دارند.
از این رو کاتالیستهاي گروه10-8 معمولا به عنوان ارتقادهنده براي کاتالیستهاي مسی مورد استفاده قرار میگیرند. ارتقادهندهها و پایه کاتالیست با بهبود در پراکندگی ذرات فلزي و سایر ویژگیهاي مثبتی که دارند میتوانند نقش مهمی را در فعالیت، گزینشپذیري و پایداري کاتالیستها ایفا کنند .[8]تحقیقات اخیر نشان میدهد که ساختارهاي متخلخل ، به خصوص SBA-15 و MCM-41 ، توانستهاند به دلیل ویژگی منحصر به فردي که دارند توجه زیادي را در زمینه کاتالیستی و انتخاب به عنوان پایه کاتالیست به خود جلب کنند. از جمله این خصوصیات می توان به مساحت سطح و حجم حفرات بسیار بالا، یکنواختی در ساختار کانالهاي مزوپور و کنترل اندازه این کانالها، پایداري مناسب حرارتی ، مکانیکی و هیدرودینامیکی اشاره کرد.
MCM-41 حاوي ساختاري با آرایههاي شش ضلعی از حفرات استوانهاي با قطري در محدوده 1,5 الی 5 نانومتر میباشد. در حالی که SBA-15 ساختاري با کانالهاي شش ضلعی یکنواخت با قطر 5 الی 30 نانومتر را از خود نشان میدهد و پایداري هیدرودینامیکی بیشتري در مقایسه با MCM-41 دارد .[9-11]در این پژوهش ابتدا SBA-15 به عنوان پایه کاتالیست به روش هیدروترمال5 سنتز شد. در مرحله بعد اکسید مس به روش تلقیح 6به پایه اضافه شد و کاتالیست Cu/SBA-15 در واﮐﻨﺶ ریفرمینگ متانول با بخار آب در یک میکرو راکتور مورد آزمایش قرار گرفت. سپس شرایط عملیاتی از جمله جریان خوراك، دما و مقدار فلز تلقیح شده، بهینه شدهاست.
-2 مواد و روشها
-1-2 مواد مورد استفاده
از Triblock copolymer p123 به عنوان قالب، هیدروکلریک اسید - HCl - و آب به عنوان حلال، تترا اتیل ارتوسیلیکات - TEOS - به عنوان پیش ماده، اتانول به عنوان حلال در تلقیح و مس - Ⅱ - نیترات سهآبه - Cu - NO3 - 2.3H2O - استفاده شدهاست.
-2-2 روش سنتز
بدین منظور در روش هیدروترمال ابتدا 8 گرم Triblock copolymer P123 را در 250 میلیلیتر هیدروکلریک اسید 1,9 - HCl - مولار حل کرده و محلول حاصله به مدت 2 ساعت تحت دماي 40 œC هم زده میشود. 16 گرم تترا اتیل ارتوسیلیکات - TEOS - به آرامی به مخلوط اضافه شده و تحت دماي40 œC با همزن قوي، به مدت 22 ﺳﺎﻋﺖ هم زده میشود. محلول حاصل به داخل اتوکلاو7 منتقل شده و در 100 œCدرون آون با مدل NDO 400 ساخت شرکت EYELAبه مدت 24 ساعت، تحت شرایط هیدروترمال قرارمیگیرد.سپس پس از سرد شدن تا دماي اتاق، ماده مورد نظر بعد از فیلتر شدن و شست و شو با آب دیونیزه و دو بار تقطیر در دماي 70 œC خشک میشود. در نهایت به منظور حذو قالب پلیمري فرآیند
