CO2 hidrojenasyonu ile metan üretimi üzerine katalitik çalışmalar
Catalytic studies on methane production by CO2 hydrogenation
Yazar: TUĞBA YARBAŞ
Danışman: PROF. DR. NEZİHE AYAS
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Katalitik hidrojenasyon = Catalytic hydrogenation

Özet:
Karbondioksit (CO2) çevresel zararları olan bir sera gazı olup atmosferdeki emisyonunun azaltılması için günümüzde birçok araştırma yapılmaktadır. CO2'in bir yakıt olan CH4'a dönüştürülerek değerlendirilmesi, son yıllarda pek çok araştırmacının dikkatini çeken bir konudur. Bu çalışmanın ilk aşamasında CO2'in CH4'a dönüşümü termodinamik olarak modellenmiştir. Teorik çalışmada, H2/CO2 molar besleme oranı (2, 3, 4 ve 5), sıcaklık (100-1100°C) ve basıncın (1, 3, 5 ve 10 atm), termodinamik denge halindeki bileşenlerin molce derişimleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen veriler kullanılarak CO2 dönüşüm ve CH4 seçicilikleri hesaplanmıştır. Teorik çalışmaya göre H2/CO2 = 4 molar oranı, 100°C ve 1 atm'de %99,87 oranında CO2 dönüşümü ve %99,99 oranında CH4 seçiciliği elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında CO2'in katalitik hidrojenasyonla CH4'a dönüşümünü sağlamak için sepiyolit, olivin, bentonit ve zeolit olmak üzere dört farklı katalizör destek malzemesi kullanılarak farklı oranlarda Nikel içeren katalizörler sentezlenmiş ve XRF, XRD, FT-IR, TGA, XPS, BET ve SEM teknikleriyle karakterize edilerek yapısal özellikleri belirlenmiştir. Çalışmanın üçüncü ve son aşamasında ise sentezlenen katalizörler, CO2'in CH4'a dönüşüm reaksiyonunda kullanılarak etkinlikleri CO2 dönüşümü, CH4 seçiciliği ve CH4 verimi cinsinden belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar H2/CO2 = 4 molar besleme oranında, 4800 mL.gkat-1.saat-1 gaz akış hızıyla (GHSV), 300-600°C sıcaklık aralığında ve atmosferik basınçta gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon sonucu oluşan gaz ürünün bileşimi mikro gaz kromatografisiyle belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar termodinamik modelleme çalışmasıyla kıyaslanmıştır. Sepiyolit, olivin ve zeolit destekli katalizörler 400°C'de; bentonit destekli katalizörler ise 300°C'de en yüksek katalitik etkinliklerini sergilemiştir. 300°C'de %71,32 oranında CO2 dönüşümü, %99,35 oranında CH4 seçiciliği ve %70,86 oranında CH4 verimi sağlayan emdirme yöntemiyle hazırlanmış %20 Nikel içerikli bentonit katalizör (%20Ni/Bent), bu çalışmanın en etkin katalizörü olarak belirlenmiş ve etkinliğini 104 saatlik test süresince yitirmemiştir. CO2'in CH4'a dönüşümünün ekzotermik bir reaksiyon olması nedeniyle, en düşük deneysel sıcaklıkta (300°C) yüksek etkinlik gösteren %20Ni/Bent, termodinamik model çalışmasının verilerine en yakın eğilimi göstermiştir.

Abstract:
Carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas with environmental damage and much research is carried out today to reduce its emissions in the atmosphere. The evaluation of CO2 by converting it to CH4, a fuel, has attracted the attention of many researchers in recent years. In the first stage of this study, the conversion of CO2 to CH4 was modeled thermodynamically. The effects of H2/CO2 molar feed ratio (2, 3, 4 and 5), temperature (100-1100°C) and pressure (1, 3, 5 and 10 atm) on the mole concentrations of the components in thermodynamic equilibrium were investigated. CO2 conversion and CH4 selectivities were calculated. According to the theoretical study, 99.87% CO2 conversion and 99.99% CH4 selectivity were obtained at a molar feed ratio of H2/CO2 = 4 at 100°C and 1 atm. In the second stage of the study, Nickel containing catalysts were synthesized by using four different catalyst support materials, sepiolite, olivine, bentonite and zeolite catalysts were characterized with XRF, XRD, FT-IR, TGA, XPS, BET and SEM techniques. In the last stage of the study, the synthesized catalysts were used in the conversion reaction of CO2 to CH4 and their efficiency was determined in terms of CO2 conversion, CH4 selectivity and CH4 yield. CO2 methanation reactions were carried out at a molar feed ratio of H2/CO2 = 4, with a gas flow rate of 4800 mL.gcat-1.h-1 (GHSV) in the temperature range of 300-600°C and at atmospheric pressure. The composition of the gas product formed as a result of the reaction was determined by micro gas chromatography. The obtained results were compared with the thermodynamic modeling study. Sepiolite, olivine and zeolite supported catalysts exhibited the highest catalytic activities at 400°C while the bentonite supported catalysts exhibited at 300°C. Bentonite catalyst with 20% Nickel content (20%Ni/Bent), prepared by the impregnation method providing 71.32% CO2 conversion, 99.35% CH4 selectivity and, 70.86% CH4 efficiency at 300°C, is the most effective catalyst of this study.  20%Ni/Bent did not lose its catalytic activity during the 104 hour test. Since the conversion of CO2 to CH4 is an exothermic reaction, 20%Ni/Bent, which showed the highest efficiency at the lowest experimental temperature (300°C), showed the closest trend to the data of the thermodynamic modeling study.