Sentez gazından metanol üretimi için bakır esaslı katalizörlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preperation and characterization of copper-based catalysts for the production of methanol from synthesis gas
Yazar: DENİZCE ŞENSES
Danışman: DOÇ. DR. HASAN ÖZDEMİR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tezde sentez gazından metanol sentez prosesi için Cu/ZnO esaslı katalizörlere destek metalleri katkılama işlemiyle çeşitli katalizörler sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Birlikte çöktürme yöntemi ile hazırlanan katalizörler Termogravimetrik ve Diferansiyel Termal Analiz (TGA/DTA), X-ışını kırınımı (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) yüzey alanı, geçirimli elektron mikrosobu (TEM), sıcaklık programlamalı desorpsiyon ve redüksiyon (CO2-NH3-TPD, TPR), indüktif eşleşmiş plazma-kütle spektroskopisi (ICP-MS) yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Aktivite ve seçimlilik testleri için ise Yüksek Basınç Piston Akışlı Reaktör (PFR)-Gaz Kromatografisi (GC) sistemi ile gerçekleştirilmiştir.
Cu/ZnO esaslı yapıya farklı oranlarda olmak üzere Cu/ZnO/MgO (CZM), Cu/ZnO/CaO (CZCa), Cu/ZnO/Al2O3 (CZA), Cu/ZnO/TiO2 (CZT), Cu/ZnO/ZrO2 (CZZ), Cu/ZnO/La2O3 (CZL), Cu/ZnO/Sm2O3 (CZS), Cu/ZnO/CeO2 (CZCe) katalizörleri birlikte çöktürme yöntemi ile hazırlanmış ve karakterize edilmişlerdir. Aktivite ve seçimlilik testlerinde tüm sentez gazı içerik kompozisyonlarında bakır yüzey alanı ve BET yüzey alanının verim için en önemli parametreler olduğu tespit edilmiştir. Yalnızca CO2 içeren sentez gazı reaksiyonunda yüzey alanların yanı sıra orta-kuvvette ve belirli miktarda yüzey bazik sitelerin varlığının verimi artırdığı gözlemlenmiştir. Tüm denemeler için en iyi katkıların düşük oranda (molce %5) Al, Mg ve Zr olduğu belirlenmiştir. Yalnızca CO içerikli sentez gazı reaksiyonunda en yüksek verimi CZM-0,5 (%8) katalizörü verirken, yalnızca CO2 beslemesi durumunda CZZ-0,5 (%7,5) en yüksek verimi göstermiştir. 4 komponentli katalizör denemelerinde ise en yüksek verimi CZAM-0,5-0,5 katalizörü göstermiştir. Farklı sentez gazı kompozisyonları altında yapılan denemeler sonucunda CZM-0,5 katalizörünün endüstriyel olarak halihazırda kullanılan CZA katalizörüne rakip olabilecek bir verim verdiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, various catalysts were synthesized and characterized for the methanol synthesis process from synthesis gas by doping support metals into Cu/ZnO-based catalysts. The catalysts prepared using the co-precipitation method were characterized using Thermogravimetric and Differential Thermal Analysis (TGA/DTA), X-ray Diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, Transmission Electron Microscopy (TEM), Temperature-Programmed Desorption and Reduction (CO2-NH3-TPD, TPR), and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy (ICP-MS) methods. Activity and selectivity tests were conducted using a High-Pressure Piston Flow Reactor (PFR)-Gas Chromatography (GC) system.
Cu/ZnO-based catalysts with different ratios of Cu/ZnO/MgO (CZM), Cu/ZnO/CaO (CZCa), Cu/ZnO/Al2O3 (CZA), Cu/ZnO/TiO2 (CZT), Cu/ZnO/ZrO2 (CZZ), Cu/ZnO/La2O3 (CZL), Cu/ZnO/Sm2O3 (CZS), Cu/ZnO/CeO2 (CZCe) were prepared using the co-precipitation method and characterized. In activity and selectivity tests, it was determined that copper surface area and BET surface area were the most crucial parameters for efficiency in all synthesis gas composition scenarios. In the reaction with only CO2-containing synthesis gas, the presence of both surface areas and a certain amount of medium-strength surface basic sites was observed to enhance efficiency. The best contributions for all experiments were determined to be at a low level (mol %5) of Al, Mg, and Zr. While the CZM-0.5 (%8) catalyst exhibited the highest efficiency in the reaction with only CO-containing synthesis gas, CZZ-0.5 (%7.5) showed the highest efficiency in the case of CO2 feed only. In the experiments with 4-component catalysts, the CZAM-0.5-0.5 catalyst demonstrated the highest efficiency. Based on experiments conducted under different synthesis gas compositions, it was observed that the CZM-0.5 catalyst could provide efficiency comparable to the industrially used CZA catalyst.