Kullanılmış Ni-Mo hidrodesülfürizasyon katalizörünün HCl çözeltilerindeki liç kinetiğinin incelenmesi
Investigation of leaching kinetics of spent Ni-Mo hydrodesulfurization catalyst in HCl solutions
Yazar: BERNA GÜMÜŞ ASLAN
Danışman: DOÇ. DR. SEDAT İLHAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Hidrodesülfürizasyon = Hydrodesulfurization ; Katalizörler = Catalysts ; Liç kinetiği = Leaching kinetics ; Yeniden kazanma = Recycling

Özet:
HDS (Hidrodesülfürizasyon) katalizörleri, rafine edilmiş petrol ürünlerinden sülfürü uzaklaştırılmak için kullanılmaktadır. HDS katalizörleri genellikle γ-Al2O3 altlık üzerinde Ni, Mo, Co ve V metallerinin bileşiklerini içermektedir. Katalitik hidrodesülfürizasyon proseslerinde zamanla aktif yüzeylere biriken empürite ve metaller sebebiyle katalizörler aktifliğini yitirmektedir. Bu katalizörler rejenere edilerek yeniden kullanılabilmektedir. Ancak, belirli bir kullanım ömrü sonrası aktivitesini artık rejenere edilemeyecek seviyede yitirmektedir. Aktifliğini kaybeden kullanılmış katalizörler önemli miktarda metal, sülfür ve karbon içerdiğinden dolayı tehlikeli atık olarak sınıflandırılırlar. Hem ekonomik açıdan hem de çevresel koşullar değerlendirildiğinde kullanılmış katalizörlerin metal geri kazanımı için ikincil kaynak olarak kullanımları önem kazanmıştır.
Bu tez çalışmasında ham ve kavrulmuş Ni-Mo HDS katalizörü ile liç artıklarının karakterizasyonu CHNS, XRD, XRF ve SEM-EDS analiz teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. Kullanılmış Ni-Mo HDS katalizörü, liç işleminden önce 773 K sıcaklıkta 4 saat boyunca oksitleyici kavurma prosesine tabi tutularak yapısındaki sülfürlü bileşiklerin oksitli bileşiklere dönüştürülmesi ve petrol artıklarının giderilmesi sağlanmıştır. 
HCI konsantrasyonu, sıcaklık, katalizör tane boyutu ve karıştırma hızının kavurma işlemi sonrası elde edilen Ni-Mo HDS katalizöründe bulunan bileşiklerin çözünmesine etkisi ve liç reaksiyonlarının kinetiği incelenmiştir. Liç deneyleri sırasında belirli sürelerde (5, 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180 dakika) elde edilen çözeltilerin ICP-OES analizi ile çözeltiye geçen Mo, Ni, Al ve P miktarları tespit edilmiştir. Katalizör tane boyutu, karıştırma hızı ve HCl konsantrasyonunun çözünme hızı üzerine çok önemli etkisinin olmadığı, sıcaklığın liç hızı etkileyen en önemli parametre olduğu tespit edilmiştir. 
Liç deneylerinden elde edilen sonuçlar MoO3, NiMoO4, Al2O3 ve AlPO4 bileşiklerinin liç reaksiyonlarını açıklamak için en uygun kinetik modelin Avrami Kinetik Modeli olduğu göstermiştir. Avrami Kinetik Modeli kullanılarak liç reaksiyonları için kinetik parametreler hesaplanmış ve fraksiyonel dönüşümün süreye bağlı değişimini veren model kinetik bağıntılar türetilmiştir. MoO3, NiMoO4, Al2O3 ve AlPO4 bileşiklerinin HCl çözeltilerindeki liç reaksiyonları için hesaplanan görünür aktivasyon enerjileri sırasıyla 31.43, 45.42, 42.37 ve 51.07 kJ mol-1 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
HDS (Hydrodesulfurization) catalysts are used to remove sulfur from refined petroleum products. HDS catalysts generally contain Ni, Mo, Co and V compounds on γ-Al2O3 substrate. Catalysts are deactivated in time due to deposition of impurities and metals on the active sites during catalytic hydrodesulphurization processes. Deactivated catalysts can be regenerated and reused. However, after a certain use, they lose their activity at a level that can no longer be regenerated. Deactivated spent catalysts are classified as hazardous waste because they contain significant amount of metals, sulfur and carbon. Considering both economic and environmental conditions, the use of spent catalysts as a secondary source for metal recovery has become important.
In this thesis, CHNS, XRD, XRF and SEM-EDS analyses were used for the characterization of raw and roasted Ni-Mo HDS catalyst and leach residues. Spent Ni-Mo HDS catalyst was roasted at 773 K for 4 h prior to the leaching experiments for the conversion of sulphide compounds to corresponding oxides and the elimination of oil residues.
Effect of HCl concentration, temperature, particle size of catalyst and stirring speed on the dissolution of compounds in roasted Ni-Mo HDS catalyst and kinetics of leaching reactions were investigated. Amounts of Mo, Ni, Al and P passed to the leach solution during leaching experiments at certain time intervals (5, 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180 min.) were determined by ICP-OES analysis. It is determined that HCl concentration, particle size of catalyst and stirring speed have no significant affect on the dissolution rate, while the dissolution rate is affected significantly by temperature.
Avrami Kinetic Model was found to fit the best for experimental data obtained from leaching reactions of MoO3, NiMoO4, Al2O3 and AlPO4. Kinetic parameters were calculated using Avrami Kinetic Model and model kinetic equations, which give fractional conversion as a function of time, were derived. Apparent activation energies for the leaching reactions of MoO3, NiMoO4, Al2O3 and AlPO4 compounds in HCl solutions were calculated as 31.43, 45.42, 42.37 and 51.07 kJ mol-1, respectively.