Μελέτη της ρόφησης CO2 σε καταλύτη CuO/ZnO/Al2O3

• Κύριος συγγραφέας: Σμυρνιώτη, Μαρία
• Άλλοι συγγραφείς: Ματραλής, Χαράλαμπος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Ρόφηση; Εκρόφηση; Καταλύτες; Σύνθεση μεθανόλης; Ισόθερμες; CO2; Adsorption; Desorption; CuO; ZnO; CZA; Catalysts; Methanol synthesis; TPD; Isotherms; 660.29

Η χρήση ορυκτών καυσίμων ως πηγή ενέργειας οδηγεί στην εκπομπή CO2 που συμβάλλει στην ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου και στην κλιματική αλλαγή. Από την άλλη, το CO2, μπορεί να θεωρηθεί ως μία πολύτιμη πηγή άνθρακα για τη βιώσιμη ανάπτυξη. Η καταλυτική υδρογόνωση του CO2 για την παραγωγή υψηλής προστιθέμενης αξίας προϊόντων, όπως η μεθανόλη, ο διμεθυλαιθέρας, κ.λπ. έχει προταθεί ως ένα υποσχόμενο δίκτυο αντιδράσεων για την αξιοποίηση του CO2. Μεταξύ των προϊόντων υδρογόνωσης του CO2, η μεθανόλη είναι μια εξαιρετική πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία, αλλά και ένας υγρός ενεργειακός φορέας. Oι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι καταλύτες στην αντίδραση σύνθεσης μεθανόλης είναι της μορφής Cu/ZnO/Al2O3, λόγω του χαμηλού τους κόστους και της αξιοσημείωτης δραστικότητάς τους. Η μελέτη της ρόφησης του CO2 σε καταλύτες σύνθεσης μεθανόλης μπορεί να συνεισφέρει στην καλύτερη κατανόηση της αντίδρασης αλλά και στην πιθανή βελτίωση των καταλυτών. Η θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση (TPD) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική μελέτης της αλληλεπίδρασης αερίων μορίων με την επιφάνεια στερεών καταλυτών, που μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά συμπεράσματα όσον αφορά τη διεργασία της ρόφησης. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της ρόφησης του CO2 στον καταλύτη CuO / ZnO / Al2O3 (CZA) με τη χρήση δυναμικών πειραμάτων ρόφησης - TPD-CO2 και μετρήσεων ισορροπίας ρόφησης-εκρόφησης CO2. Οι πειραματικές παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν οι εξής: η μερική πίεση του CO2 (PCO2), ο ρυθμός θέρμανσης κατά το TPD (β, οC min-1), η θερμοκρασία ρόφησης, η οξειδωτική κατάσταση του καταλύτη και η παρουσία Η2 κατά τη ρόφηση (συνρόφηση CO2, H2). Πιο συγκεκριμένα, τα πειράματα έγιναν με ρόφηση CO2 σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε υψηλές θερμοκρασίες (200οC, 300oC) υπό μεταβλητή μερική πίεση CO2 (0-2 MPa) τόσο για τον οξειδωμένο όσο και για τον ανηγμένο CZA. Η ρόφηση CO2 στον CZA φανερώνει εκτεταμένη επιφανειακή ετερογένεια, η οποία υποδεικνύεται από τη μορφή των προφίλ TPD. Σύμφωνα με τις ισόθερμες ρόφησης, δεν παρατηρείται κορεσμός ακόμα και σε PCO2 = 2 MPa. Η παρουσία του βρόχου υστέρησης μεταξύ των κλάδων ρόφησης-εκρόφησης, υποδεικνύει την παρουσία και μη αντιστρεπτής ρόφησης του CO2 στην επιφάνεια του οξειδωμένου CZA. Με βάση τα πειράματα ρόφησης-TPD-CO2, η αύξηση της PCO2 οδηγεί σε αύξηση της ασθενώς ροφημένης ποσότητας CO2 (εκρόφηση σε Τ<250οC) ενώ ο σχηματισμός ισχυρά ροφημένου CO2 (εκρόφηση σε Τ>250οC) λαμβάνει χώρα ακόμα και με έκθεση σε χαμηλές PCO2. Η αύξηση του ρυθμού θέρμανσης κατά το ΤPD έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση των μεγίστων των κορυφών εκρόφησης προς υψηλότερες θερμοκρασίες. Επιπλέον, η ικανότητα ρόφησης CO2 δεν εξαρτάται σημαντικά από την οξειδωτική κατάσταση του δείγματος, αφού οι ροφημένες ποσότητες CO2 για το οξειδωμένο και το ανηγμένο δείγμα είναι παρόμοιες. Επιπροσθέτως, η ρόφηση CO2 σε υψηλές θερμοκρασίες (200°C, 300°C) αποκαλύπτει την ενεργοποίηση νέων καταστάσεων ρόφησης. Τέλος, σύμφωνα με τα πειράματα συνρόφησης CO2 και Η2, εξάγεται το συμπέρασμα ότι η ρόφηση του Η2 στην επιφάνεια του ανηγμένου CZA, δεν επηρεάζει τη ρόφηση του CO2, το οποίο είναι σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία, όπου θεωρείται ότι η ρόφηση του CO2 συμβαίνει σε μεγαλύτερο βαθμό στην επιφάνεια των οξειδίων ZnO, Al2O3 ενώ η ρόφηση του Η2 στην επιφάνεια του Cu0.