Ανάπτυξη καταλυτικών συστημάτων για την αναμόρφωση προϊόντων βιομάζας προς υδρογόνο ή / και αέριο σύνθεσης
Authors: Κούση Καλλιόπη 
Published: September 2021

Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η ατμοαναμόρφωση της γλυκερόλης (Steam Reforming of Glycerol), παρουσία ετερογενών καταλυτών προς παραγωγή υδρογόνου ή αερίου σύνθεσης. Η ατμο-αναμόρφωση της γλυκερόλης είναι δυνατόν να ακολουθήσει ένα πολύπλοκο δίκτυο αντιδράσεων με διάφορα παράλληλα και διαδοχικά βήματα τα οποία περιλαμβάνουν αντιδράσεις αφυδάτωσης, αφυδρογόνωσης, πολυμερισμούς και διασπάσεις δεσμών. Στόχος αυτής της διατριβής αρχικά είναι να βρεθούν κατάλληλοι καταλύτες οι οποίοι θα ενισχύουν τη διάσπαση των δεσμών C-C και θα οδηγούν στα επιθυμητά προϊόντα, θα είναι ενεργοί σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και ανθεκτικοί στην απενεργοποίηση λόγω συσσωμάτωσης ή/και απόθεσης άνθρακα. Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω στόχους μελετήθηκαν καταλύτες βασισμένοι σε βιομηχανική γ-Al2O3 γνωστή για τις φυσικοχημικές και μηχανικές της ιδιότητες ιδιαίτερα σε διεργασίες αναμόρφωσης και τα βασικά μέταλλα που μελετήθηκαν ήταν τα Ni, Ru και Co. Από αυτά ξεχώρισε το ρουθίνιο για την αντίστασή του στην εναπόθεση άνθρακα καθώς και για το είδος αυτού του άνθρακα, και το νικέλιο για την εκλεκτικότητα και την σταθερότητά του υπό συνθήκες αντίδρασης. Τα υλικά αυτά μελετήθηκαν εκτενέστερα καθώς τροποποιήθηκαν με διάφορα οξείδια τα οποία άλλαζαν κυρίως την επιφανειακή οξύτητα του φορέα (γ-αλούμινα) αλλά και τις φυσικοχημικές ιδιότητες του τελικού καταλύτη. Καλύτερα αποτελέσματα έδωσε ο καταλύτης Ni/ La2O3-Al2O3 αφού ήταν πολύ ενεργός σε όλες τις θερμοκρασίες αλλά εμφάνησε και μεγάλη ανθεκτικότητα στην ενεπόθεση άνθρακα. Οι καλύτεροι καταλύτες εξ αυτών χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθεί η επίδραση λειτουργικών παραμέτρων (θερμοκρασία, W/F, σύσταση τροφοδοσίας). Τα αποτέλεσματα αυτών των πειραμάτων έδειξαν πως ο ρυθμός απενεργοποίησης του καταλύτη εξαρτάται από τον ρυθμό εναπόθεσης άνθρακα, άλλα και από πιθανά ενδιάμεσα προϊόντα που προκαλούν δηλητηριασμό της καταλυτικής επιφάνειας. Στη συνέχεια παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν διμεταλλικοί καταλύτες Ni-Μ/Al2O3 (Μ: Co, Cu, Fe, Ag). Σκοπός ήταν η μείωση της εναπόθεσης του άνθρακα στην καταλυτική επιφάνεια σε σχέση με τον μη τροποποιημένο καταλύτη Ni/Al2O3. Η εναπόθεση του άνθρακα μελετήθηκε ποσοτικά και ποιοτικά με θερμοπρογραμματισμένη οξείδωση με CO2, O2 και H2O καθώς και με ΤΕΜ και XRD. Η δραστικότητα των μέσων οξείδωσης ακολουθούσε την εξής σειρά CO2 < H2O < O2 σε όλα σχεδόν τα δείγματα και ο καταλύτης Ni-Fe/Al2O3 έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα χωρίς την μείωση της καταλυτικής του ενεργότητας στη θερμοκρασία που έγιναν τα πειράματα αναμόρφωσης εμφάνησε μεγαλύτερη αντίσταση στον άνθρακα, μειώνοντας την εναποτιθέμενη ποσότητα στο μισό. Ωστόσο ο καταλύτης αυτός δεν ήταν ιδιαίτερα σταθερός με το χρόνο. Τέλος έγινε μια πρώιμη μελέτη ενός μέρους του μηχανισμού της διεργασίας και επιλέχθηκε η ακετόλη ως πρότυπο μόριο μιας και είχε αποδειχθεί το πιο δύσκολα αναμορφώσιμο. Επιλεγμένοι καταλύτες χρησιμοποιήθηκαν για πειράματα αναμόρφωσης αλλά και για TPD/TPSR δυναμικά πειράματα και φαίνεται ότι διαφορές υπάρχουν κυρίως στους φορείς με τον La2O3-Al2O3 να είναι ο πιο δραστικός με σημαντικά απόδοση σε υδρογόνο στους 600 °C. Παρουσία νικελίου, η σύσταση του φορέα δεν έχει σημαντική επίδραση και η απόδοση τους σε κάθε θερμοκρασία προς CO2, CO, H2 και ακεταλδεϋδη είναι παρόμοια.