Metandan katalitik yolla hidrojen üretimi
Catalytic hydrogen production from methane
Yazar: MUSTAFA KARAKÖSE
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALAİTTİN HASTAOĞLU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production

Özet:
Fosil yakıtların çevreye verdikleri NOx, SOx and VOC gazların zararından dolayı, hidrojen enerjisi gelecek için fosil yakıtlara alternatif olarak düşünülmektedir. Hidrojenin kullanım alanlarını yakın bir gelecekte yakıt hücresi sistemleri oluşturacaktır. Hidrojenin yakıt olarak kullanılıp, kimyasal enerjisinin elektrik enerjisine çevrilebildiği yakıt hücresi sistemleri için ekonomik ve verimli H2 üretimi hayati önem taşımaktadır. Isıl yöntemlerle hidrojen üretim proseslerinden biri metandan kısmi oksidasyonla katalitik yolla hidrojen üretimidir.Bu çalışmada metanın kısmi oksidasyon reaksiyonuyla hidrojen elde etmek için kullanılan katalizörler Ni precursorun Ce, Zr, Al'un birlikte çökeltme yöntemiyle hazırlanmış değişik bileşimlerinden oluşan destek malzemesi üzerine ıslak emdirme yöntemiyle tutturulmasıyla sentezlenmiştir. Ni/Ce0.2Zr0.1Al0.7 (10%Ni), Ni/Ce0.2Zr0.2Al0.6 (15%Ni), Ni/Ce0.25Zr0.75 (10%Ni), Ni/Ce0.25Zr0.75 (15%Ni), Ni/Ce0.4Zr0.1Al0.5 (10%Ni) katalizörler ve bu katalizörlerle kıyaslamak için kullanılan ticari katalizör, 1 atm basınçta 650 oC'den 800oC'ye kadar seramik yünü yatak olarak kullanılarak diferansiyel modda çalışan dikey kurulumlu bir dolgu yataklı tüp reaktöre yerleştirilerek aktivasyon testleri yapılmıştır. Gaz kromatoğraf yardımıyla ürün bileşimi tespit edilerek hidrojen üretimindeki veriminin sıcaklıkla olan değişimi, katalizörün sıcaklığa göre etkinliği ve CH4 dönüşümünün sıcaklıkla ve zamanla olan değişimi hesaplanmıştır. Ayrıca katalizörlerin XRD, EDX, TEM ve SEM analizleriyle karakterizasyonu yapılmıştır. Bu verilere göre 650 oC ve 1 atm basınçta NiO/Ce0.25Zr0.75 (10%Ni) katalizörü 150 dakika boyunca, ticari katalizör de dahil sentezlenen diğer katalizörler arasında %99 hidrojen verimle, %86 CH4 dönüşümle en iyi performansı göstermiştir.

Abstract:
Hydrogen is considered as an alternative energy source of the future to fossil fuels due to the detrimental effects of NOx, SOx and VOC emissions to the environment. In the near future, fuel cells will become systems using hydrogen in the biggest amount. Economical and effective hydrogen production has a vital importance for fuel cell systems converting chemical energy to electrical energy. One of the hidrojen production processes via thermal process is catalytic partial oxidation of methane.In this study, catalysts used for hydrogen production via partial oxidation of methane were prepared by the wet impregnation of Ni precursor on support material synthesized by coprecipitation method with different combinations of Ce, Zr and Al. The activation tests of Ni/Ce0.2Zr0.1Al0.7 (10%Ni), Ni/Ce0.2Zr0.2Al0.6 (15%Ni), Ni/Ce0.25Zr0.75 (10%Ni), Ni/Ce0.25Zr0.75 (15%Ni), Ni/Ce0.4Zr0.1Al0.5 (10%Ni) and commercial catalyst used for comparison were done by means of fixed bed reactor working in the differential mode from 650 oC to 800 oC at 1 atm. Hydrogen yield vs temperature, catalyst activity vs temperature, CH4 conversion vs time and temperature were obtained by means of GC analyses. In addition to this, catalysts were investigated by XRD, EDX, TEM and SEM characterization techniques. According to these data, NiO/Ce0.25Zr0.75 (10%Ni) display the best performance with 96% hydrogen yield, 86% CH4 conversion in the duration of 150 minutes under 650oC and 1 atm pressure among other synthesized catalysts and commercial one.