Kullanılmış kobalt-molibden hidrodesülfürizasyon (HDS) katalizörünün nitrik asitli çözeltilerde çözündürülmesi
Dissolution of used cobalt-molybdenum hydrodesulfurization (HDS) catalyst in nitric acid solutions
Yazar: İLKNUR ŞUŞOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ORKUN KALPAKLI
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Hidrodesülfürizasyon (HDS) doğal gaz ve rafine petrol ürünlerinde bulunan sülfürü uzaklaştırmak amacıyla uygulanan katalitik bir prosestir. HDS prosesinde katalizör olarak -Al2O3 altlık üzerine desteklenmiş Mo, Co, Ni ve V kullanılmaktadır. HDS prosesinde kullanılan katalizörler zamanla deaktive olmakta ve kullanılmış katalizör olarak sınıflandırılmaktadır. Kullanılmış katalizörler tehlikeli atık olarak sınıflandırılmakta ve bertaraf edilmeleri sıkı çevre mevzuatlarına uyulmasını gerektirmektedir. HDS katalizörleri, dünyada katalizör tüketiminin üçte birini oluşturmaktadır. Kullanılmış katalizörlerden metallerin geri kazanımı son yıllarda önem kazanmıştır. Metal geri kazanımı, sadece metal kazanımı açısından değil aynı zamanda atık katalizörlerin çevreye karşı olan etkileri bakımından da çok önemlidir.
Bu çalışmada kullanılmış Co-Mo HDS katalizörünün nitrik asitli (HNO3) çözeltilerde çözünme davranışı incelenmiştir. Asit konsantrasyonunun, sıcaklığın, karıştırma hızının ve katı/sıvı oranının katalizördeki bileşenlerin çözünmesi üzerine etkileri belirlenmiş ve XRD ve SEM-EDS analiz teknikleri ile katı liç artıklarının karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
Çözünürleştirme deneylerine geçilmeden önce kullanılmış Co-Mo HDS katalizörü, içerdiği kükürtlü bileşiklerin oksitli bileşiklere dönüştürülmesi ve uçucu maddelerin yapıdan uzaklaştırılması amacıyla 773 K'de oksitleyici kavurma işlemine tabi tutulmuştur. Oksitleyici kavurma işlemi sonrası katalizörün Al2O3, MoO3, Co3O4 ve AlPO4 fazlarını içerdiği belirlenmiştir. Çözünürleştirme deneylerinde belirli sürelerde reaktörden alınan çözeltilerin kantitatif analizi ICP-OES cihazında gerçekleştirilmiş ve çözeltiye geçen Mo, Co, Al ve P miktarları belirlenmiştir. Çözeltideki element miktarlarından yararlanılarak hesaplanan % ekstraksiyon değerlerinin süre ile değişimlerini gösteren diyagramlar çizilmiştir. Sıcaklığın katalizördeki bileşenlerin çözünmesi üzerinde etkili olduğu ve % ekstraksiyon değerlerinin artan sıcaklıkla arttığı belirlenmiştir. HNO3 konsantrasyonunun özellikle düşük sıcaklıklarda (298 ve 313 K) katalizördeki bileşenlerin çözünmesi üzerine önemli bir etkisinin olmadığı, yüksek sıcaklıklarda (328 ve 343 K) ise artan konsantrasyon ile % ekstraksiyon değerlerinin az da olsa arttığı saptanmıştır. Uygun liç koşullarında (343 K ve 1 M HNO3) molibdenin                   % 90'ının, kobaltın da yaklaşık % 100'ünün çözeltiye alınabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Hydrodesulfurization (HDS) is a catalytic process used for the removal of sulfur from natural gas and crude oil. Mo, Co, Ni and V supported -Al2O3 is used as catalyst in HDS process. Catalysts used in HDS process are deactivated during desulfurization process and classified as spent catalyst. Disposal of spent catalysts are controlled strictly by environmental laws and classified as hazardous wastes. HDS catalysts compose one-third of catalysts used in the world. Importance in recovery of metals from spent catalysts increased in recent years. Recovery of metals is not important only from the point of view of metal recovery but also it is important from the environmental point of view.
Dissolution behavior of spent Co-Mo HDS catalyst in nitric acid (HNO3) solutions was investigated in this work. Effects of acid concentration, temperature, stirring speed and solid/liquid ratio on the dissolution of metals in spent catalyst was determined. Characterization of solid leach residues were carried out by using XRD and SEM-EDS analysis techniques.
Spent Co-Mo HDS catalyst was roasted in dynamic air atmosphere at 773 K to convert sulfur compounds to oxide compounds and for the removal of volatile compounds prior to dissolution experiments. It was determined after oxidative roasting process that catalyst included Al2O3, MoO3, Co3O4 and AlPO4 phases. Quantitative analysis of the solutions taken at certain time intervals during the dissolution experiments was carried out by ICP-OES instrument. Dissolved amount of Mo, Co, Al and P were determined. Extraction % values were calculated using dissolved amount of elements in the solutions and Extraction % - time diagrams were plotted. It is determined that temperature effected the dissolution of metals in catalyst and extraction % increased with increasing temperature. While HNO3 concentration has no significant effect on the dissolution of metals in catalyst at low temperatures (298 and 313 K), it was seen that increasing acid concentration increased extraction % moderately at higher temperatures (238 and 343 K). It was determined that 90 % of Mo and approximately 100 % of Co were dissolved at the optimum leaching conditions (343 K and 1 M HNO3).