Διμεταλλικοί καταλύτες Ni-Cu, στηριγμένοι σε μεικτούς φορείς λάνθανας-αλούμινας για την ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου

• Κύριος συγγραφέας: Τασούλης, Άγγελος
• Άλλοι συγγραφείς: Tasoulis, Angelos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Καταλύτες νικελίου; Οξείδιο του λανθανίου; Διμεταλλικοί καταλύτες; Ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου; Ανθρακούχες αποθέσεις; Nickel catalysts; Lanthanum oxide; La2O3-Al2O3; Bimetallic catalysts; Dry methane reforming; Carbonaceous deposits; B.E.T; TPR; TPO

Οι διαρκώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις σε συνδυασμό με περιβαλλοντικά προβλήματα προσανατολίζουν το παγκόσμιο ενδιαφέρον προς την αναζήτηση νέων, ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μια ελκυστική απάντηση στο ενεργειακό ζήτημα αποτελεί η αξιοποίηση του βιοαερίου από την αναερόβια χώνευση χαμηλής αξίας βιομάζας. Το βιοαέριο αποτελείται, κυρίως, από CH4 και CO2 και μετατρέπεται σε αέριο σύνθεσης (CO και H2) που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για παραγωγή διαφόρων οργανικών ενώσεων και συνθετικών ενεργειακών φορέων. Η μετατροπή του βιοαερίου σε αέριο σύνθεσης πραγματοποιείται μέσω της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου (DRM, Dry Reforming of Methane). Η διεργασία πραγματοποιείται παρουσία ετερογενούς καταλύτη. Οι καταλύτες Ni/Al2O3 θεωρούνται οι καταλληλότεροι καθώς έχουν μεγάλη δραστικότητα και σχετικά χαμηλό κόστος. Όμως, η λειτουργία καταλυτών Ni/Al2O3 στο περιβάλλον της διεργασίας παρουσιάζει ένα σημαντικό πρόβλημα καθώς οι καταλύτες απενεργοποιούνται γρήγορα λόγω μεγάλης απόθεσης άνθρακας. Γίνονται πολλές προσπάθειες για την αντιμετώπιση του προβλήματος με την εισαγωγή στον καταλύτη άλλων οξειδίων ή/και μετάλλων προκειμένου να αυξηθεί η αντίστασή του στον σχηματισμό ανθρακούχων αποθέσεων. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της επίδρασης του χαλκού σε ποσοστά 0.0, 0.5 και 1.5% κ.β. σε διμεταλλικούς καταλύτες με σταθερή φόρτιση σε νικέλιο (10% κ.β.), στηριγμένων σε μικτό φορέα 20% La2O3-Al2O3 . Ο μικτός φορέας συντέθηκε με την τεχνική του υγρού εμποτισμού της γ-Al2O3 με διάλυμα La(NO3)3 και πύρωση στους 550 ℃ για 4h. H La2O3 βρίσκεται σε σταθερό ποσοστό 20% κ.β. Οι διμεταλλικοί καταλύτες NiCu/20%La2O3-Al2O3 συντέθηκαν με τη μέθοδο του υγρού συνεμποτισμού και πύρωση στους 550 ℃ για 4h. Ο καταλύτης αναφοράς είναι ο Ni/Al2O3. Τα χαρακτηριστικά υφής των υλικών προσδιορίστηκαν με προσρόφηση-εκρόφηση υγρού αζώτου σε θερμοκρασία -196 ℃με τις μεθόδους B.E.T και B.J.H από το στάδιο της προσρόφησης.. Η ενεργοποίηση και η αναγωγιμότητα των καταλυτών πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της θερμοπρογραμματισμένης αναγωγής (TPR) στους 800 °C με αναγωγικό μίγμα 10% H2/He. Οι καταλύτες, στην ανηγμένη τους μορφή, δοκιμάστηκαν στη DRM σε συνθήκες πίεσης 1 atm, θερμοκρασία 700 ℃, μίγμα τροφοδοσίας CH4:CO2=1:1 και GHSV=30.000 mL/(h·gcat). Η ποσότητα του αποτιθέμενου άνθρακα αλλά και το είδος των ανθρακούχων αποθέσεων προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο της θερμοπρογραμματισμένης οξείδωσης (TPO). Η προσθήκη La2O3 στο φορέα μειώνει την ειδική επιφάνεια και τον όγκο των πόρων. Περαιτέρω μικρή μείωση παρατηρείται και με την εναπόθεση των οξειδίων, πρόδρομων των μεταλλικών φάσεων. Όμως, οι καταλύτες διατηρούν τις ιδιότητες υφής και μετά την αναγωγή στους 800 ℃. Η αναγωγιμότητα των καταλυτών επηρεάζεται, ελαφρώς από την παρουσία La2O3. Με την προσθήκη Cu στον καταλύτη Ni/20%La2O3-Al2O3 η αναγωγή του πραγματοποιείται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ενώ παρατηρείται αυξημένη κατανάλωση υδρογόνου (μεγαλύτερη από τη στοιχειομετρικά απαιτούμενη), η οποία εξαρτάται από το ποσοστό του Cu. Στη διεργασία DRM, ο καταλύτης Ni/20%La2O3-Al2O3 είναι δραστικότερος και πιο σταθερός από τον Ni/Al2O3. Προσθήκη Cu σε ποσοστό 0.5% κ.β. στον Ni/20%La2O3-Al2O3, δεν επηρεάζει τη δραστικότητά του, ενώ το ποσοστό 1.5% κ.β. μειώνει τη δραστικότητα και τη σταθερότητα. Όσον αφορά τη μελέτη των ανθρακούχων αποθέσεων με TPO, οι καταλύτες με μικτό φορέα παρουσιάζουν σημαντική αντίσταση στη συσσώρευση άνθρακα. Η προσθήκη Cu στον Ni/20%La2O3-Al2O3 δεν αναιρεί τη θετική επίδραση του La2O3 στην ποσότητα των ανθρακούχων αποθέσεων, αλλά αυξάνει τη σχετική ποσότητα η οποία απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες για να αεριοποιηθεί.