title: Μελέτη της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου σε διμεταλλικούς καταλύτες με βάση το Ru-Ni
title: Study of dry reforming of methane on Ru-Ni bimetallic catalyst
Creators: name: Τσιντζουρας Αλεξανδρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2020

description: Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η καταλυτική συμπεριφορά του μονομεταλλικού καταλύτη νικελίου (Ni) και του διμεταλλικού καταλύτη νικελίου-ρουθηνίου (Ni−Ru), όπως επίσης και η επίδραση των στηριζόμενων φορέων που αφορούν την Αλούμινα, Αλούμινα-Σύρια-Ζιρκόνια και Σύρια-Ζιρκόνια κατά την διεργασία της ξηρής αναμόρφωση βιοαερίου (DRM). Η διεργασία της ξηρής αναμόρφωσης βιοαερίου αφορά στην αντίδραση του μεθανίου (CH4) και του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και με παραγωγή προϊόντων υδρογόνου (H2) και μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Η διεργασία αυτή έχει αποκτήσει μεγάλο περιβαλλοντικό και βιομηχανικό πλεονέκτημα, καθώς μέσω αυτής της διεργασίας γίνεται εκμετάλλευση των δύο αέριων ρύπων και πιο συγκεκριμένα του CO2 και του CH4 τα οποία θεωρούνται σημαντικά ως προς τη συμβολή τους στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Επιπλέον, τα δύο παραγόμενα αέρια αποτελούν τα κύρια συστατικά του βιοαερίου και του φυσικού αερίου και αποτελούν σχετικά φθηνές πρώτες ύλες για την παραγωγή syngas, δηλαδή αερίου σύνθεσης (H2/CO) και την μετέπειτα χρήση αυτού ως καύσιμο, γεγονός που κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικό αν σκεφτεί κανείς ότι το H2 θεωρείται το καύσιμο του μέλλοντος για παραγωγή ηλεκτρισμού.
Για την πειραματική διαδικασία που αφορά την μελέτη της αντίδρασης, η σύσταση των αντιδρώντων που επιλέχθηκε είναι ισομοριακή ([CO2]/[CH4]=1/1). Όσον αφορά την περιεκτικότητα των καταλυτών σε ενεργά μέταλλα, για τον διμεταλλικό καταλύτη Ni−Ru η περιεκτικότητα είναι 1 % w.t Ru−10 % w.t Ni, ενώ για το μονομεταλλικό καταλύτη Ni είναι 10 % w.t Ni. Αυτοί οι καταλύτες είναι υποστηριγμένοι σε τρείς διαφορετικούς φορείς. Εκτός, από την κοινή ευρέως χρησιμοποιούμενη αλούμινα (γ−Al2O3), θα μελετηθούν και φορείς μικτών οξειδίων και πιο συγκεκριμένα οξειδίου του δημητρίου-σύριας (CeO2) και οξειδίου του ζιρκονίου-ζιρκόνιας (ZrO2) - (CZ) και συνδυασμό αυτών των δύο με την αλούμινα (ACZ). Γενικότερα, ο ρόλος των φορέων είναι αρκετά σημαντικός όσον αφορά στην ενίσχυση της καταλυτικής δραστηριότητας και στον περιορισμό της εναπόθεσης άνθρακα και κυρίως κατά τις διεργασίες της ξηρής αναμόρφωσης μεθανίου. Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν, τόσο οι καταλύτες Νικελίου (Ni) όσο και οι διμεταλλικοί καταλύτες Νικελίου-Ρουθηνίου (Ni−Ru) που εξετάστηκαν, φαίνεται να μην παρουσιάζουν την τάση συσσωρευτικής εναπόθεσης άνθρακα στην επιφάνεια τους, που είναι και ο βασικός λόγος απενεργοποίησης τους στη αναμόρφωση υδρογονανθράκων. Επιπλέον, ενδιαφέρον παρουσιάζεται γύρω από τους μελετώμενους καταλύτες ως προς την σταθερότητα που προσδίδουν μετά τις οξειδoαναγωγικές μεταβολές που επιδέχονται. Επίσης, όσον αφορά την απόδοση τους στις υψηλές θερμοκρασίες παρατηρήθηκε ότι μεγαλύτερη ενεργότητα παρουσιάζουν οι καταλύτες Ni και Ni−Ru οι οποίοι είναι στηριζόμενοι στο φορέα αλούμινας (γ−Al2O3).
description: The subject of this thesis is the catalytic behavior of the nickel- (Ni) and ruthenium-nickel bimetallic (Ni − Ru) catalysts, as well as the effect of the supported carriers of Alumina, Alumina-Syria-Zirconia, Syrian-Zirconia during the dry biogas reforming (DRM) process. The process of dry biogas reforming involves the reaction of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) and the production of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) products. This process has gained enormous environmental and industrial advantage, as this process exploits the two gaseous pollutants, in particular CO2 and CH4, which are considered important in their contribution to the greenhouse effect. In addition, the two gases produced are the main constituents of biogas and natural gas and are relatively inexpensive raw materials for the production of syngas, namely synthesis gas (H2 / CO) and its subsequent use as a fuel, which is particularly important if one considers H2 is considered the fuel of the future for electricity generation.
For the experimental procedure for the reaction study, the composition of the reactants selected is equimolar ([CO2] / [CH4] = 1/1). As for the active metal content of the catalysts, for the Ni − Ru bimetallic catalyst the content is 1% w.t Ru − 10% w.t Ni, whereas for the Ni mono catalyst it is 10% w.t Ni. These catalysts are supported on three different carriers. In addition to the commonly used alumina (γ − Al2O3), mixed oxide carriers and more specifically cerium  (CeO2) and zirconium (ZrO2) - (CZ) carriers and the combination of the two with alumina (ACZ) will be studied. In general, the role of the carriers is quite important in enhancing catalytic activity and in limiting carbon deposition, and especially in the processes of dry methane reforming. From the results obtained, both the nickel (Ni) and the bimetallic nickel-ruthenium (Ni − Ru) catalysts examined did not appear to exhibit a tendency for carbon deposition on their surface, which is the main reason for their inactivation in hydrocarbon reforming. Of particular interest is the catalysts’ stability under the applied oxidative-reductive conditions. Also with regard to their performance at high temperatures, Ni and Ni − Ru catalysts based on the alumina carrier (γ − Al2O3) have been shown to be more active.