Güçlendirici katkılı nikel katalizörlerin biyogazın kuru reformlanma reaksiyonunda kükürt direncinin araştırılması
Investigation of sulfur resistance of promoter doped nickel catalysts in dry reforming reaction of biogas
Yazar: MUSAB ESMAIL KHALIL DOUTOUM
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ARBAĞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Biyogazın kuru reformlanma reaksiyonu, biyokütleden elde edilen biyogazı bir besleme kaynağı olarak kullanan önemli bir reaksiyondur. İklim değişikliğinin olumsuz etkilerini hafifletmek için iki önemli sera gazı olan CH4 ve CO2'yi besleme kaynağı olarak kullanılması ve yenilenebilir enerji taşıyıcısı olarak hidrojen üretilmesi bu reaksiyonun en önemli avantajlarıdır. Bu çalışma kapsamında ticari alümina destekli Ni katalizörleri ve farklı yükseltgeyici ilaveli Ni-M (M: K, Mg, Ba, Y, Ce, La) katalizörlerinin ıslak emdirme yöntemi ile sentezleri yapılarak bu katalizörlerin biyogazın kuru reformlanma reaksiyonunda H2S varlığında katalitik aktivite testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında mezogözenekli alümina malzemesi sol-jel yöntemiyle de sentezlenmiştir. Nikel esaslı ticari alümina (CAL) veya mezgözenekli γ-alümina (SGA) destekli monometalik ve bimetalik katalizörlerin fiziksel, kimyasal ve yapısal özelliklerini belirlemek ve katalizörlerin katalitik aktiviteleri ile bu özellikler arasındaki ilişkiyi açıklamak için XRD, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, DRIFTS, TGA ve SEM-EDX karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analizi, alümina destek malzemesi ile monometalik ve bimetalik katalizörlerin (8Ni@CAL, 8Ni-3La@CAL, 8Ni@SGA ve 8Ni-3La@SGA) mezogözenekli yapıya sahip oldukları göstermiştir. DRIFTS analizi, yükseltgeyici "promoter" ilavesinin 8Ni@CAL katalizörün asiditesini K>Mg>Y>Ce>Ba>La etki sırası ile düşürdüğünü göstermiştir. XRD analizi, lantan eklenmesiyle birlikte 8Ni@CAL katalizörünün yüzeyindeki nikelin kristal boyutunun arttığını göstermiştir. Sentezlenen katalizörlerin katalitik performanslarını, aktivite, stabilite ve kok birikimi ile kükürt zehirlenmesine karşı olan direnci açısından değerlendirmek amacıyla 750°C ve 1 atm'de sabit yataklı reaktörde ve 50 ppm H2S varlığında katalitik aktivite testleri gerçekleştirilmiştir. 8Ni-3La@CAL katalizörü, 8Ni@CAL katalizörüne göre yüksek aktivite ve kükürt zehirlenmesine karşı yüksek direnç göstermiştir. 8Ni@CAL katalizörü 75 dakika süresince tamamen deaktivasyona uğrarken 8Ni-3La@CAL katalizörü 120 dakika sonunda deaktive olmuştur. 8Ni@SGA katalizörüne La eklenmesi, aktivitedeki azalmaya rağmen (8Ni@SGA için %77 ve 8Ni 3La@SGA için %62) kok birikimi kütlece %9'dan kütlece %1,2'e düşmüştür.

Abstract:
The dry reforming reaction of biogas is a crucial process that utilizes biogas obtained from biomass as a feedstock. The primary advantages of this reaction include using CH4 and CO2, the two major greenhouse gases, as feedstock to mitigate the adverse effects of climate change, and producing hydrogen as a renewable energy carrier. In this study, commercial alumina-supported Ni catalysts and Ni-M (M: K, Mg, Ba, Y, Ce, La) catalysts doped with different promoters were synthesized using the wet impregnation method, and catalytic activity tests were conducted under the presence of H2S. Additionally, mesoporous alumina support material was synthesized using the sol-gel method. To determine the physical, chemical, and structural properties of monometallic and bimetallic nickel based catalysts supported on commercial alumina (CAL) or mesoporous γ-alumina (SGA) and to explain the relationship between the catalytic activities and these properties, XRD, N2 adsorptiondesorption, DRIFTS, TGA, and SEM-EDX characterization studies were conducted. N2 adsorption-desorption analysis showed that the alumina support material and the monometallic and bimetallic catalysts (8Ni@CAL, 8Ni-3La@CAL, 8Ni@SGA, and 8Ni-3La@SGA) had a mesoporous structure. DRIFTS analysis showed that the addition of the promoter reduced the acidity of the 8Ni@CAL catalyst in the order of K>Mg>Y>Ce>Ba>La. XRD analysis has shown that the addition of Lanthanum increases the crystal size of nickel on the surface of the 8Ni@CAL catalyst. Catalytic performance evaluations of the synthesized catalysts in terms of activity, stability, and resistance to sulfur poisoning and coke accumulation were carried out at 750°C and 1 atm in a fixed-bed reactor under the presence of 50 ppm H2S. The 8Ni-3La@CAL catalyst exhibited higher activity and resistance to sulfur poisoning compared to the 8Ni@CAL catalyst. While the 8Ni@CAL catalyst was completely deactivated after 75 minutes, the 8Ni-3La@CAL catalyst was deactivated after 120 minutes. The addition of La to the 8Ni@SGA catalyst resulted in a reduction in coke accumulation from 9% to 1.2%, despite a decrease in activity (77% for 8Ni@SGA and 62% for 8Ni-3La@SGA).