Η ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου σε χαμηλές θερμοκρασίες με καταλύτες βασισμένους στο ρουθήνιο
Loading...
Date
2023-07-12
Authors
Μπικογιαννάκης, Αλέξανδρος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η Ξηρή Αναμόρφωση του Μεθανίου (DRM) αποτελεί μία μέθοδο αξιοποίησης δύο εκ των κυ-ριότερων αερίων του θερμοκηπίου, στα οποία οφείλεται σε μεγάλο βαθμό η αύξηση της θερμο-κρασίας στον πλανήτη. Η θέρμανση του πλανήτη μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες για τις μελλοντικές γενεές και πρέπει να τεθεί υπό έλεγχο πριν η αλλαγή της περιβαλλοντικής εικόνας του πλανήτη γίνει μη αναστρέψιμη. Η αντίδραση βιομηχανικά λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμο-κρασίες > 800 ⁰C, αλλά το υψηλό λειτουργικό κόστος διεργασιών σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες καθιστά αναγκαία την έρευνα για την λειτουργικότητα ή μη μιας τέτοιας διεργασίας υπό χαμηλές θερμοκρασίες. Το προϊόν της αντίδρασης είναι αέριο σύνθεσης με λόγο υδρογόνου προς μονο-ξείδιο του άνθρακα 1:1 και ο σκοπός είναι να διατηρηθεί ο λόγος αυτός κοντά στην μονάδα λόγω της πληθώρας χρήσιμων βιομηχανικών προϊόντων που μπορούν να παραχθούν από αυτό. Τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται είναι η εναπόθεση άνθρακα στην επιφάνεια του καταλύτη καθώς και η ανταγωνιστική δράση της αντίδρασης της αντίστροφης μετατόπισης του μονοξειδί-ου του άνθρακα με ατμό (RWGS), ενώ δεν παρατηρήθηκε πειραματικά κάποια πυροσυσσωμάτω-ση σε αυτό το θερμοκρασιακό εύρος. Τα παραπάνω καθιστούν αναγκαία την χρήση ενός καταλύ-τη ευγενούς μετάλλου, προς αποφυγή της εναπόθεσης άνθρακα και επιλέχθηκε το Ρουθήνιο (Ru) λόγω της καλής συμπεριφοράς του στην αντίδραση από βιβλιογραφικές πηγές. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη καταλυτών Ru υποστηριγμένων σε τρία διαφορετικά υποστρώματα προς την εύρεση ενός υποστρώματος το οποίο σε αυτό το θερμοκρασιακό εύρος δίνει όσο το δυνατόν υψηλότερες τιμές μετατροπής των αντιδρώντων καθώς και λόγο H2:CO κοντά στην μονάδα, μι-κρότερη δράση δηλαδή της RWGS. Τα υποστρώματα τα οποία επιλέχθηκαν είναι η YSZ για σύ-γκριση της συμπεριφοράς με ηλεκτροχημικά πειράματα, η CeO2 λόγω υψηλού αριθμού πλεγματι-κών κενών οξυγόνων και η TiO2 λόγω περιορισμένων αναφορών της στην βιβλιογραφία σε τέ-τοιες θερμοκρασίες. Οι παραγόμενοι καταλύτες χαρακτηρίστηκαν με τεχνικές Περίθλασης Ακτί-νων Χ (XRD), Φασματοσκοπίας Ακτίνων Χ (XPS) και με Ρόφηση-Εκρόφηση Αζώτου (BET). Η δια-σπορά των καταλυτών υπολογίστηκε από τα δεδομένα της ανάλυσης XPS με υπόθεση της ονο-μαστικής αναλογίας 4%. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η καταλυτική τους ενεργότητα και σταθερό-τητα έως τους 450 ⁰C υπό ροή αντιδρώντων 200 mL min-1 σε 3 διαφορετικές αναλογίες (στοι-χειομετρικές συνθήκες CO2:CH4=1:1, αναγωγικές συνθήκες CO2:CH4=1:4 και οξειδωτικές συνθή-κες CO2:CH4=2:1). Καταλυτικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ο μεγαλύτερος λόγος H2/CO λαμβάνε-ται από τον καταλύτη Ru/TiO2 ακολουθούμενος από τον καταλύτη Ru/YSZ και τέλος τον καταλύτη Ru/CeO2 σε στοιχειομετρικές συνθήκες, και σε βάση συχνότητας κύκλων αντίδρασης (TOF) ο κα-ταλύτης Ru/TiO2 δίνει σαφώς μεγαλύτερες τιμές σε όλες τις συνθήκες. Στη σύγκριση ανάμεσα στις 3 διαφορετικές συνθήκες για κάθε καταλύτη, η συχνότητα κύκλων αντίδρασης του μεθανίου ήταν παραπλήσια ανάμεσα σε οξειδωτικές και στοιχειομετρικές συνθήκες και αυξάνονταν για αναγωγικές, ενώ του διοξειδίου του άνθρακα αυξάνονταν με την σειρά στοιχειομετρικές < οξει-δωτικές < αναγωγικές, εκτός από τον καταλύτη Ru/TiO2, όπου η μεγαλύτερη τιμή παρουσιάζεται για οξειδωτικές συνθήκες. Επίσης, σε όλες τις συνθήκες υπολογίστηκαν οι ενέργειες ενεργοποί-ησης για τις δύο αντιδράσεις από διαγράμματα Arrhenius, από 19 έως 33 kcal mol-1, εντός του αναφερθέντος βιβλιογραφικού εύρους τιμών. Τέλος, οξείδωση του καταλύτη πριν τη διεξαγωγή του πειράματος φαίνεται να έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του λόγου H2/CO, σε καταλύτη Ru/CeO2, προκαλώντας όμως ελαφρά μείωση στην συχνότητα κύκλων αντίδρασης του Μεθανίου.
Description
Keywords
Ξηρή αναμόρφωση, Μεθάνιο, Κατάλυση