Metan kuru reform reaksiyonunun kinetiğinin incelenmesi
Investigation of methane dry reforming reaction kinetics
Yazar: SELEN ÖZKOÇER
Danışman: DOÇ. DR. NAİL YAŞYERLİ ; DOÇ. DR. SENA YAŞYERLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Bölümü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Metanın kuru reform reaksiyonu, küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının değerli hammaddelere ve alternatif yakıtlara dönüştürülmesinde önem taşımaktadır. Bu çalışmada, metanın karbondioksit reformu ile hidrojen üretiminde kullanım potansiyeli olabilecek aktif, uzun ömürlü, H2 seçiciliği ve verimi yüksek katalizörlerin geliştirilmesi ve reaksiyon şartlarının araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, MCM-41 destekli Ni katalizörler sentezlenmiş ve katalitik özelliklerin iyileştirilebilmesi amacıyla yapıya soy metal (Ru) ve yükseltgeyici (Mg) ilavesi yapılmıştır. Yüksek yüzey alanına ve ısıl kararlılığa sahip MCM-41 malzemesi, katalizör destek maddesi olarak kullanılmıştır. Ni-MCM-41 katalizörler, Ni/Si molar oranı 0,2 olacak şekilde hidrotermal sentez yöntemi ile hazırlanmıştır. Katalitik aktiviteyi yükseltebilmek amacıyla katalizör yapısına emdirme yöntemi ile ağırlıkça %0,5, %1,0 ve %3,0 rutenyum (sırasıyla Ru/Si molar oranları 0,004, 0,011 ve 0,036) ilave edilmiştir. Katalizörlerin yapı ve fiziksel özelliklerinin belirlenebilmesi için XRD, BET yüzey alanı, N2 adsorpsiyon, EDS ve TGA analizleri yapılmıştır. Ni-MCM-41 malzemesi üzerine rutenyum eklenmesinin katalizör gözenek hacmini ve yüzey alanını azalttığı belirlenmiştir. Geliştirilen katalizörlerin katalitik test çalışmaları dolgulu kolon reaktör sisteminde gerçekleştirilmiştir. Aynı şartlarda yürütülen aktivite testlerinin sonrasında en iyi aktivite gösteren ağırlıkça %1,0 rutenyum içerikli 1,0Ru@Ni-MCM-41 (Ru/Si: 0,011) katalizörü ile farklı reaksiyon sıcaklıklarında (500-600oC) ve besleme gazı bileşimlerinde (CH4/CO2: 0,5-2) reaksiyon çalışmaları yürütülmüştür. Çalışmanın son aşamasında 1,0Ru@Ni-MCM-41 katalizörüne emdirme yöntemi ile ağırlıkça %1,0 ve %5,0 oranlarında magnezyum yükseltgeyici olarak ilave edilmiş ve hazırlanan Mg@Ru@Ni-MCM-41 katalizörleri ile katalitik testler gerçekleştirilmiştir. 1,0Ru@Ni-MCM-41 katalizörünün yapısına Mg yükleyerek H2 seçiciliğinin önemli ölçüde geliştirilebileceği görülmüştür.

Abstract:
Methane dry reforming process is being considered as a promising reaction system for conversion of greenhouse gases to valuable raw materials and alternative fuels. In this work, development of catalysts for long term use with high activity and H2 selectivity was aimed. To this end, Ni-MCM-41 catalysts were synthesized by hydrothermal method, and noble metal (Ru) and promoter (Mg) were added to Ni-MCM-41 catalysts to improve catalytic activity. MCM-41 with high surface area and thermal stability was used as a support for the catalysts. Ni-MCM-41 (Ni/Si:0,2 molar) catalysts were prepared by hydrothermal synthesis method. In order to increase the catalytic activity, Ru@Ni-MCM-41 catalysts were prepared by impregnation Ru into Ni-MCM-41 materials with the different Ru/Si molar ratios (Ru/Si molar ratios: 0,004, 0,011 ve 0,036). XRD, BET surface area, N2 adsorption, EDS and TGA analyses were performed to determine structural and physical properties of the prepared catalysts. It was observed that pore volume and surface area of the catalyst had decreased by increasing Ru/Si ratios in Ni-MCM-41 catalyst. Reaction tests using different ruthenium containing Ni-MCM-41 catalysts were performed in a packed bed reactor system with online GC analysis. After performing at the same catalytic reaction conditions, 1,0Ru@Ni-MCM-41 catalyst showed highest activity in the prepared catalysts. Dry reforming reaction experiments using 1,0Ru@Ni-MCM-41 (Ru/Si: 0,011) were repeated in a temperature interval of 500-600oC and feed ratio of CH4/CO2: 0,5-2. In the last part of the study, magnesium containing 1,0Ru@Ni-MCM-41 catalysts were prepared by the impregnation. Catalytic reaction tests were repeated using magnesium containing 1,0Ru@Ni-MCM-41 catalysts (1 and 5 % (w/w)). Significant enhancement in H2 selectivity was observed when the 1,0Ru@Ni-MCM-41 catalysts were modified by addition of magnesium as a promoter into catalyst structure.