Metanın Oksi-Co2 reformlanması reaksiyonu için CeO2, Al2O3, ZrO2, MgAl2O4 destekli Ni katalizörlerinin yüzeyde çöktürme yöntemi ile hazırlanması
Preparation of nickel catalysts supported on CeO2, Al2O3, ZrO2, MgAl2O4 by deposition precipitation method for Oxy-CO2 reforming of methane
Yazar: TUGAY PEHLİVAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. TUBA GÜRKAYNAK ALTINÇEKİÇ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kömür yatağı gazları gibi bazı doğal gaz kaynaklarının ana komponentleri olan karbon dioksit (CO2) ve metanın (CH4) değerlendirilmesi için en ilgi çekici kimyasal yaklaşımlardan biri metanın katalitik oksi-CO2 reformlama yöntemi ile sentez gazı (H2 ve CO'nun bir karışımı) üretimidir. Metanın oksidatif CO2 reformlaması sadece esas sera gazlarının değerlendirilmesinde değil,  temiz ve ekonomik enerji kaynağı olan sentez gazı üretiminde de etkin bir yol sağlamaktadır. Sentez gazı metanol ve Fischer-Tropsch sentezleri ile birkaç farklı karbonilizasyon, hidrojenasyon ve redüksiyon reaksiyonları için çok yönlü bir hammaddedir. Geçtiğimiz yıllar boyunca, birçok araştırmacı metanın sentez gazına dönüştürülmesi için metanın CO2 reformlaması ve kısmi oksidasyonu üzerine odaklanmıştır. CO2 (kuru) reformlaması oldukça endotermik olup yüksek enerji girdisi gerektirirken, kısmi oksidasyon kısmen ekzotermik olup operasyon esnasında sıcak noktaların (hot spots) oluşumu sebebiyle tehlikeli olabilmektedir.  Endotermik reformlama reaksiyonu ve ekzotermik yanma veya kısmi oksidasyon reaksiyonunun birleştirilmesi ile süreç için gerekli ısı içsel olarak sağlanabilir ve sıcak nokta oluşumu azaltılabilir. 

Bilindiği üzere, metan reformlaması Pt, Pd, Ru, Rh, Ni ve Co gibi bazı 8. Grup metalleri tarafından katalizlenebilir. Soy metal esaslı katalizörler yüksek aktivite ve kararlılık göstermelerine rağmen, bulunabilirliklerinin düşük ve maliyetlerinin yüksek olması endüstride geniş çapta kullanımlarını sınırlamaktadır. Bu nedenle, nikel (Ni) esaslı katalizörler metan reformlama süreçleri için uygun katalitik aktivite, bulunabilirlik ve soy metal esaslı katalizörlere kıyasla karşılanabilir fiyatıyla çok fazla dikkat çekmeye başlamıştır. Ancak, metan reformlama süreçlerine ait en önemli problemlerden biri Ni esaslı katalizörlerde hızlı deaktivasyona neden olan karbon birikimidir. Bu sorun katalizörlerin modifikasyonu ile minimize edilebilir.
Metandan sentez gazı eldesi için kısmi oksidasyon ve CO2 reformlama reaksiyonlarının kombinasyonu, nikel nitrat ve üre kulanılarak yüzeyde çöktürme yöntemi ile çeşitli oranlarda Ni yüklemesiyle hazırlanmış, Ni/Al2O3, Ni/ZrO2, Ni/CeO2 ve Ni/MgAl2O4 destekleri üzerinde test edilmiştir. Katalizörler X ışını kırınımı (XRD), sıcaklık programlamalı indirgeme (H2-TPR) ve Brunauer Emmett Teller analizi (BET) teknikleri ile karakterize edilmiştir. Reformlama reaksiyonu 700–800 ºC' de belirli oranlardaki (CH4/CO2/O2/N2=3/1/1/4) gaz karışımı ile gerçekleştirilmiştir. Katalizörün aktivitesi ve kararlılığı, karbon depozisyonu ve sentez gazı oranı (H2/CO) belirlenmiştir. Kombine reformlama reaksiyonları doğrultusunda en yüksek katalitik aktivitenin ağırlıkça %15 Nikel içeren Ni/Al2O3 katalizörü olduğu belirlenmiştir. Ayrıca %15 nikel yüklemesi yapılan katalizörler ile gerçekleştirilen reaksiyonlar uzun zaman boyunca test edilmiş, 10 saat boyunca metan dönüşümünde herhangi bir azalma olmaksızın katalitik performansının sabit kaldığı görülmüştür. Katalizör deaktivasyonu genellikle kok oluşumuna bağlı olarak gerçekleşmektedir. Karbon depozisyonu enerji dağılım spektroskopisi (EDS), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve sıcaklık programlı oksidasyon (TPO) tenikleri ile test edilmiştir.

Abstract:
One of the most attractive chemical approaches for the utilization of carbon dioxide (CO2) and methane (CH4), which are the main components of some natural gas resources including coal bed gases, could be the catalytic oxy-CO2 reforming of methane to produce syngas  (a mixture of H2 and CO). Methane oxidative CO2 reforming provides an efficient way not only to utilize the main greenhouse gases but also produce syngas which is clean and economical energy resource.  The synthesis gas is a versatile feedstock for methanol and Fisher-Tropsch syntheses and several other carbonylation, hydrogenation and reduction reactions. During the past decades, many researchers have focused on converting methane to synthesis gas by CO2 reforming and partial oxidation of methane. The CO2 (dry) reforming is highly endothermic requiring a large energy input, while partial oxidation is mildly exothermic and could be hazardous due to the formation of hot spots during operation. With the combination of the endothermic reforming reaction and the exothermic combustion or partial oxidation reaction the heat required for the process could be supplied internally and the formation of hot spots could be reduced. 
It is well-known that methane reforming can be catalyzed over some group VIII metal, i.e. Pt, Pd, Ru, Rh, Ni and Co. Although noble metal based catalysts exhibit high activities and stabilities, their limited availabilities and high costs confine their wide spread application in industry. So nickel (Ni)-based catalyst became commercially more attractive for the methane reforming processes due to it is reasonable catalytic activity, availability and affordable price compared to noble metal-based catalysts. But the carbon deposition which causes rapid deactivation on the Ni based catalysts is one of the important problems associated with the methane reforming processes. This problem could be minimized by modification of the catalysts.
The reaction of combination of CO2 reforming and partial oxidation of methane to produce syngas (CRPOM) were tested over  Ni/Al2O3, Ni/ZrO2, Ni/CeO2 and Ni/MgAl2O4 catalysts with various Ni loadings which were prepared via deposition-precipitation method using precursor of  nickel nitrate and urea. The catalysts were characterized by X-ray powder diffraction analysis (XRD), H2-temperature-programmed reduction (H2-TPR) and Brunauer Emmett Teller (BET) analysis techniques. The reforming reactions were carried out using a gas mixture with a feed ratio of (CH4/CO2/O2/N2=3/1/1/4)  and reaction temperatures in the range 700–800 ºC. The activity and stability of the catalyst, carbon deposition, and synthesis gas (H2/CO) ratio were determined. Among the catalysts evaluated, catalyst with 15 wt.% Nickel content Ni/Al2O3 catalysts revealed the most active catalytic performance toward combined reforming reactions. In addition, catalyst with 15 wt.% nickel loading was employed in long term stability test and has shown stable catalytic performance up to 10 h time on stream without any decrease in methane conversion in the process. Catalyst deactivation was primarily due to coke formation. Energy dispersive spectroscopy (EDS), scanning electron microscopy (SEM) and temperature programme oxidation (TPO) techniques were used to confirm carbon deposition.