Metanın kısmi oksidasyonu için üre-nitrat yakma tekniği ile nikel ve kobalt esaslı katalizörlerin hazırlanması
Preparation of nickel and cobalt based catalysts with urea-nitrate combustion technique for partial oxidation of methane
Yazar: HASAN DEYAB
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER
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:
Doğalgazın ana bileşeni olan metanın değerlendirilmesi ve kıymetli ürünlere dönüştürülmesi gerek akademi gerekse endüstriyel açıdan halen önem arz eden konulardan biridir. Endüstriyel açıdan metanın değerli ürün ve kimyasallara çevrilmesinde indirekt yöntemler başlıca rol oynamaktadırlar. Bu yöntemler ara ve en önemli basamak sentez gazı (H2 + CO) eldesidir. Sentez gazı eldesi için ise literatürde pek çok yöntem bulunmakla beraber yüksek miktarlardaki üretimler için başlıca yöntem metanın su buharı reformlamasıdır. Bu yöntem en büyük dezavantajı ise reaksiyonun endotermik olması sebebiyle yüksek enerji gereksinimidir. Metanın kısmi oksidasyonu, ekzotermik olması ve reaksiyon hızlarının 100-1000 kat daha yüksek olması sebebiyle iyi bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak bu yöntem için geliştirilen katalizörlerin karbonlaşma ve sinterleşme sebebiyle deaktivasyon gibi sorunları bulunmaktadır. Araştırmalar bu sorunların çözümlenmesine yoğunlaşmıştır. İşte bu çalışma kapsamında sentez gazı eldesi için yüksek performans, seçimlilik ve dayanıklılık gösteren katalizörlerin sentezlenmesi ve karakterizasyonu yapılmıştır. Bu bağlamda, ağırlıkça %10 Ni veya %10 Co içeren (Al2O3, MgAl2,5O, Mg2,5AlO, MgO) destekli katalizörler üre-nitrat yakma tekniği ile tek adımda sentezlenmiştir. Burada amaç aktif metallerin sinterleşmeden homojen bir şekilde destek yapısı ile birlikte hazırlanmıştır. Bunun için hesaplanan miktarlarda Ni veya Co nitrat tuzları ile Al, Mg-Al veya Mg nitrat tuzları yakıtça az olarak hesaplanan ultra saf su içerisinde çözündürülmüş üre ile karıştırılarak ve 500 °C'lik fırın içinde 15 dakika boyunca kendi kendine yanma işlemine tabi tutulmuştur. Daha sonra hazırlanan katalizörler yüksek beleme hızları altında (GHSV=80.000 L/kg.sa) CH4/O2=2 olacak şekilde farklı sıcaklıklarda (500-800 °C) metanın kısmi oksidasyonu reaksiyonu için incelenmiştir. Sentezlenmiş katalizörler X-ışını kırınım deseni (XRD), sıcaklık programlamalı indirgeme (TPR) ve Brunauer-Emmett-Teller (BET) yüzey alanı yöntemleri kullanarak karakterize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar neticesinde en yüksek katalitik aktivite, H2 ve CO seçimliği sırasıyla %90,2, 96,5 ve 97,4 ile 10Ni/Mg2,5AlO katalizörü kullanılarak 800°C'de elde edilmiştir. Ayrıca nikelin kobalttan daha yüksek aktivite ve seçimlilik gösterdiği belirlenmiştir. Sonuçlar üre-nitrat yakma tekniğinin geleneksel yöntemlere iyi bir alternatif olacağını göstermiştir.

Abstract:
The evaluation of methane, the main component of natural gas, and its transformation into valuable products is still one of the important issues both in academia and industry fields. Industrially, indirect methods play a major role in converting methane into valuable products and chemicals. The intermediate and most important step in these methods is to obtain synthesis gas (H2 + CO). Although there are many methods in the literature to obtain synthesis gas, the main method for high amounts of production is steam reforming of methane. The biggest disadvantage of this method is the high energy requirement since the reaction is endothermic. Partial oxidation of methane stands out as a good alternative because it is exothermic and reaction rates are 100-1000 times higher. However, the catalysts developed for this method have problems such as Coking and deactivation due to sintering. Researchs have focused on solving these problems. Within the scope of this study, catalysts showing high performance, selectivity and durability for obtaining synthesis gas were synthesized and characterized. For that, catalysts supported by (Al₂O₃, MgAl₂,₅O, Mg₂,₅AlO, MgO) containing 10 wt% Ni or 10 wt% Co were synthesized in a single step using the urea-nitrate combustion technique. The aim here is to prepare the active metals together with the support structure homogeneously without sintering. For this purpose, calculated amounts of Ni or Co nitrate salts and Al, Mg-Al or Mg nitrate salts were mixed with urea dissolved in ultrapure water calculated to be fuel-low and subjected to self-combustion in a 500 °C oven for 15 minutes. The prepared catalysts were then investigated for the partial oxidation of methane at different temperatures (500-800 °C) with a CH₄/O₂ ratio of 2, under high space velocities (GHSV=80,000 L/kg·h). The synthesized catalysts were characterized using X-ray diffraction (XRD), temperature-programmed reduction (TPR), and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area methods. Based on the results obtained, the highest catalytic activity and selectivity for H2 and CO, respectively 90.2%, 96.5%, and 97.4%, were achieved using the 10Ni/Mg2,5AlO catalyst at 800 °C. It has also been determined that nickel exhibits higher activity and selectivity than cobalt. The results have shown that the urea-nitrate combustion technique could be a good alternative to traditional methods.