Ανάπτυξη καταλυτών νικελίου στηριγμένων σε ελληνικό φυσικό ζεόλιθο, μορντενίτη, για παραγωγή ανανεώσιμου ντίζελ

• Κύριος συγγραφέας: Φάνη, Κωνσταντίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Fani, Konstantina
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Καταλύτες; Νικέλιο; Μορντενίτης; Βιοντίζελ; Πράσινο ντίζελ; Εκλεκτική αποξυγόνωση; Catalysts; Nickel; Mordenite; Biodiesel; Green diesel; Selective deoxygenation

Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη φθηνών και αποδοτικών καταλυτών νικελίου για τη μετατροπή του βιοντίζελ σε ανανεώσιμο (πράσινο) ντίζελ. Η αξιολόγηση όλων των καταλυτών διεξήχθη σε αντιδραστήρα ημιδιαλείποντος έργου υψηλής πίεσης υδρογόνου (40atm), θερμοκρασία 310οC, ροή υδρογόνου 100mL/min, 100mL βιοντίζελ, 1g καταλύτη και χρόνο αντίδρασης εννέα ώρες. Τα υγρά προϊόντα που προέκυψαν μετά το πέρας της καταλυτικής διεργασίας ταυτοποιήθηκαν με αέρια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας και προσδιορίστηκε η απόδοση σε πράσινο ντίζελ. Στο πλαίσιο αυτού του στόχου επιδιώχθηκε η αξιοποίηση ενός ελληνικού φυσικού ζεόλιθου, του μορντενίτη, ως φορέα των αντίστοιχων καταλυτών. Η προσέγγιση του παραπάνω στόχου επιδιώχθηκε μέσω των ακόλουθων βημάτων: Α) Μελετήθηκε η κατεργασία του φυσικού μορντενίτη με υδατικό διάλυμα οξέος (HCl) προκειμένου αυτός να αποκτήσει τα κατάλληλα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά ώστε να χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα των νικελικών καταλυτών. Με αυτή την κατεργασία επιτεύχθηκε η παρασκευή ενός φορέα με υψηλή ειδική επιφάνεια (156 m2/g έναντι των 8 m2/g του φυσικού ορυκτού). Β) Αξιοποιώντας τον παραπάνω φορέα, συντέθηκαν καταλύτες νικελίου με φόρτιση 10% κ. β. με διαφορετικές μεθόδους σύνθεσης (υγρό εμποτισμό, ξηρό εμποτισμό, εισαγωγή τήγματος πρόδρομου άλατος και εναπόθεση καθίζηση). Τα δείγματα που προέκυψαν μετά την ενεργοποίηση τους αξιολογήθηκαν ως προς την αποτελεσματικότητα τους για τη μετατροπή του βιοντίζελ σε πράσινο ντίζελ. Έτσι, αποδείχθηκε ότι η εναπόθεση – καθίζηση είναι η βέλτιστη μέθοδος σύνθεσης τέτοιων καταλυτών. Ο λεπτομερής φυσικοχημικός χαρακτηρισμός (ρόφηση – εκρόφηση αζώτου, περίθλαση ακτίνων Χ, θερμοπρογραμματισμένη αναγωγή με υδρογόνο, θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση αμμωνίας, ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, θερμοσταθμική ανάλυση) των καταλυτών έδειξε ότι η μέθοδος της εναπόθεσης – καθίζησης οδηγεί στη βέλτιστη ειδική επιφάνεια, καλύτερη διασπορά του νικελίου (μικρότερο μέγεθος κρυσταλλιτών) και μικρότερη ποσότητα αποθέσεων άνθρακα στον χρησιμοποιημένο καταλύτη. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τον αντίστοιχο καταλύτη τον βέλτιστο αυτής της σειράς για μετατροπή του βιοντίζελ σε πράσινο ντίζελ. Γ) Υιοθετώντας τη μέθοδο της εναπόθεσης καθίζησης συντέθηκαν καταλύτες νικελίου στηριγμένοι στον όξινα κατεργασμένο μορντενίτη με φόρτιση σε δραστική φάση 10-30% κ. β.. Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να προσδιοριστεί το βέλτιστο ποσοστό της δραστικής φάσης για τη διεργασία της εκλεκτικής αποξυγόνωσης του βιοντίζελ σε πράσινο ντίζελ. Ο καταλύτης με τη μέγιστη φόρτιση νικελίου παρουσίασε αυξημένη ειδική επιφάνεια (96 m2/g), το μικρότερο μέγεθος κρυσταλλιτών νικελίου (11nm) και ισορροπημένη πυκνότητα ασθενών και ισχυρών όξινων θέσεων, με αποτέλεσμα να εμφανίζει τη μεγαλύτερη απόδοση σε πράσινο ντίζελ μεταξύ των στηριγμένων σε όξινα κατεργασμένο μορντενίτη καταλυτών (25% κ. β.). Δ) Σε μια προσπάθεια περεταίρω βελτίωσης αυτών των καταλυτών συντέθηκαν δείγματα τους με φόρτιση 20 και 30% κ. β σε νικέλιο με τη μέθοδο της εναπόθεσης-καθίζησης και χρήση ενός φορέα που προέκυψε από διπλή κατεργασία (όξινη και αλκαλική) του φυσικού μορντενίτη. Ο καταλύτης με 30% κ. β. νικέλιο αποδείχθηκε ο βέλτιστος μεταξύ των καταλυτών που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, καθώς οδήγησε σε μετατροπή του βιοντίζελ κατά 45% κ. β. σε πράσινο ντίζελ. Η υψηλή απόδοση αυτού του καταλύτη μπορεί να αποδοθεί στην αυξημένη ειδική του επιφάνεια και μέση διάμετρο πόρων του, η οποία διευκολύνει τη διάχυση των μεθυλεστέρων στην εσωτερική επιφάνεια των πόρων του. Συμπερασματικά, οι νικελικοί καταλύτες εμφάνισαν καλή καταλυτική συμπεριφορά η οποία εξαρτάται από το τρόπο παρασκευής τους, το ποσοστό της δραστικής φάσης καθώς και από τη κατεργασία του φορέα.