Hidrojen sülfürün elementel kükürde seçici oksidasyonu için Ni, V, Ce içeren katalizörlerin geliştirilmesi
Development of catalysts containing Ni, V, Ce for the selective oxidation of hydrogen sulfur to elemental sulfur
Yazar: DİLŞAD DOLUNAY ESLEK KOYUNCU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SENA YAŞYERLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Claus prosesi termal oksidasyon ve katalitik reaksiyon basamaklarından oluşan elementel kükürt eldesi için kullanılan eski bir yöntemdir. Katalitik basamaktaki termodinamik kısıtlamalardan dolayı yüksek kükürt verimine ulaşılamamaktadır. Bununla birlikte, H2S'ün tek basamak seçici katalitik oksidasyon reaksiyonunda termodinamik kısıtlamalar yoktur. Bu çalışmada, H2S gazının elementel kükürde seçici oksidasyonunda kullanılabilecek, yapısal olarak kararlı, aktif katalizör geliştirilmesi çalışmaları yürütülmüştür.Ni, V, Ce metallerini içeren katalizörler kompleksleştirme (Ni-O, Ni-V, Ni-Ce) ve MCM-41 malzemesine emdirme (Ni@MCM-41, Ni-V@MCM-41, Ni-Ce@MCM-41, Ce-V@MCM-41) olmak üzere iki farklı yöntem ile hazırlanmıştır. Bütün katalizörlerde karışık metal oksitler için eşmolar oran kullanılmış ve MCM-41 destekli katalizörler toplam metal konsantrasyonu kütlece %15 olacak şekilde hazırlanmıştır. Ayrıca, kütlece %10 ve %20 konsantrasyona sahip Ce-V@MCM-41 katalizörler de hazırlanmıştır. Katalizörlerin yapısal ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesi amacıyla karakterizasyon çalışmaları (XRD, BET, Hg-porozimetresi, EDS, SEM, TPR, XPS) yürütülmüştür. Ni-V katalizörünün XRD analizinde Ni2V2O7 karışık metal oksit yapısı belirlenirken Ni-V@MCM-41 katalizöründe MCM-41 yapısına ve metallere ait pikler görülmemiştir. Kompleksleştirme yöntemiyle hazırlanan katalizörlerde yüzey alanı 7-45 m2/g arasında değişirken, MCM-41 destekli katalizörlerde yüzey alanı değeri yaklaşık 10 katı yüksek bulunmuştur. Çalışmanın son aşamasında, Ce-V@MCM-41 katalizörlerinin H2S'ün seçici oksidasyonundaki katalitik aktiviteleri, dolgulu yatak reaktör sisteminde, 200-300 0C sıcaklık aralığında test edilmiştir. Kütlece %15 metal içeren Ce-V(15)@MCM-41 katalizörü 250 0C'de en etkin katalizör olarak belirlenmiştir. Oksidasyon reaksiyonu sonrasında, Ce-V(15)@MCM-41 katalizörünün CeVO4 yapısında değişim olmadığı XRD analizi ile belirlenmiştir.

Abstract:
The Claus process, an old method for sulfur recovery, includes thermal oxidation and catalytic reaction steps. In this process high sulfur recovery can not be achieved because of equilibrium limitations in catalytic reaction step. However, in a single step selective catalytic oxidation of H2S, there is no equilibrium limitation. In this study, development of active and selective catalyst for selective oxidation of H2S to elemental sulfur was investigated.Catalysts containing Ni, V and Ce were synthesized by the complexation method (Ni-O, Ni-V, Ni-Ce) and by impregnation of both these metals into MCM-41 material (Ni@MCM-41, Ni-V@MCM-41, Ni-Ce@MCM-41, Ce-V@MCM-41). Equimolar ratio of metals was used for all mixed metal oxides and total metal concentration was kept as 15% wt in MCM-41 supported catalysts. Ce-V@MCM-41 catalysts at different metal concentrations (10% and 20%) were also prepared. Catalysts synthesized in this work were characterized by XRD, BET, Hg-porosimeter, SEM, EDS, TPR and XPS measurements. XRD patterns of Ni-V catalyst prepared by the complexation method showed Ni2V2O7 crystalline phase while there was no peak corresponding to Ni and V metals in Ni-V@MCM-41 catalyst. BET surface areas of the catalysts prepared by the complexation method between 7-45 m2/g. In the case of MCM-41 supported catalysts, surface areas were significantly increased (ten times higher than the catalysts prepared by the complexation method). In the last step of this study, catalytic activities of Ce-V@MCM-41 catalysts in the selective oxidation of H2S were tested in a fixed bed reactor at temperatures between 200-300 0C. Ce-V(15)@MCM-41 catalyst was found to be the most active catalyst at 250 0C. XRD patterns of Ce-V(15)@MCM-41 catalyst showed that there was no change in CeVO4 crystal form of this catalyst after the oxidation reaction.