Biyogazdan hidrojen üretimi için alümina destekli katalizörlerin geliştirilmesi
Development of alumina supported catalysts for hydrogen production from biogas
Yazar: AYŞE GENÇ
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN ARBAĞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyogaz = Biogas ; Demir = Iron ; Hidrojen sülfür = Hydrogen sulfide ; Katalizörler = Catalysts ; Nikel = Nickel

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışmasında amaç, kükürt varlığında Ni-Fe esaslı katalizörlerin biyogazdan hidrojen üretim (metanın kuru reformlanma) reaksiyonundaki aktivitelerini incelemektir. Bu amaçla, sol-jel yöntemi ile sentezlenmiş alümina destek malzemesi (SGA) kullanılarak monometalik nikel (kütlece %3- %8 Ni) ve bimetalik nikel-demir (kütlece %3 Ni- %1, %3, %5 Fe ve %8 Ni- %8 Fe) katalizörleri emdirme yöntemiyle sentezlenmiştir. Hazırlanan malzemelerin reaksiyon öncesi ve sonrası N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, SEM-EDX, XRD, XPS, TGA, ATR-FTIR ve DRIFT teknikleriyle karakterize edilmişlerdir. N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analizi, hazırlanan alümina destekli katalizörlerin IUPAC sınıflandırmasına göre mezogönekli yapı ile uyumlu tip IV izotermine sahip olduğunu göstermiştir. Katalizörlerin XRD desenlerinde γ-aluminaya, metalik nikele ait karakteristik pikler gözlenmiştir. DRIFT analizinde nikel esaslı katalizör yüzeyinde daha çok Lewis asit sitelerinin varlığını görülürken ve Fe ilavesiyle asiditenin düşüğü belirlenmiştir. Biyogazdan hidrojen üretim reakliyonu katalitik aktivite testleri farklı H2S konsantrasyonu (0, 2, ve 50 ppm H2S) varlığında 750 °C sıcaklıkta yürütülmüştür. Katalitik aktivite test sonuçlarında 0 ppm H2S varlığında Fe ilavesiyle birlikte nikel katalizörlerin aktiviteleri düşmüştür. Farklı konsantrasyonlarda H2S varlığında yapılan testler sonucunda katalizörlerin 2 ppm konsantrasyonunda H2S e direnç gösterirken, 50 ppm H2S varlığında hemen deaktive olduğu belirlenmiştir. 50 ppm H2S varlığında gerçekleştirilen aktivite testinde, bimetalik Ni-Fe katakizörünün monometalik Ni katalizörüne göre kükürt direncini biraz arttırdığı gözlenmiştir. Reaksiyon esnasında açığa çıkan sülfür bileşiklerinin analizi için gaz hücresi ekipmanlı FTIR sistemde farklı besleme içeriği ile katalitik testler yürütülmüştür. Bu testler esnasında COS ve SO2 gibi sülfür bileşiklerinin çıkışı gözlenmiştir. FTIR testler sonuçları, CO2'nin H2S ile reaksiyona girerek COS oluşumuna yol açtığını göstermiştir. Kullanılmış katalizörlerin TGA sonuçları demir ilavesinin kok oluşumunu azalttığını göstermiştir. Katalizörlerin SEM fotoğrafları TGA sonuçlarını destekler niteliktedir.

Abstract:
The aim of this master thesis study is to examine the activities of Ni-Fe based catalysts in the reaction of hydrogen production from biogas (dry reforming of methane) in the presence of sulfur. For this purpose, sol-gel alumina (SGA) supported monometallic nickel (3% - 8% Ni by mass) and bimetallic nickel-iron (3% Ni - 1%, 3%, 5% Fe and 8% Ni - 8% Fe by mass) catalysts were synthesized by impregnation method. The prepared materials were characterized by N2 adsorption-desorption, SEM-EDX, XRD, XPS, TGA, ATR-FTIR and DRIFT techniques before and after the reaction. N2 adsorption-desorption analysis showed that prepared alumina supported catalysts have type IV isotherm compatible with mesogonal structure according to IUPAC classification. Characteristic peaks of γ-alumina and metallic nickel were observed in the XRD patterns of the catalysts. In the DRIFT analysis, while the presence of Lewis acid sites was observed on the nickel-based catalyst surface, it was determined that the acidity was low with the addition of Fe. Hydrogen production from biogas catalytic activity tests were carried out in the presence of different H2S concentration (0, 2, and 50 ppm H2S) at 750 °C. In the catalytic activity test results, the activities of nickel catalysts decreased with the addition of Fe in the presence of 0 ppm H2S. As a result of the tests carried out in the presence of H2S at different concentrations, it was determined that the catalysts were resistant to 2 ppm H2S but were immediately deactivated in the presence of 50 ppm H2S. In the activity test performed in the presence of 50 ppm H2S, it was observed that the bimetallic Ni-Fe catalyst slightly increased the sulfur resistance compared to the monometallic Ni catalyst. For the analysis of sulfur compounds released during the reaction, catalytic tests were carried out with different feed content in the gas cell equipped FTIR system. During these tests, the output of sulfur compounds such as COS and SO2 was observed. FTIR test results showed that CO2 reacted with H2S to form COS. TGA results of the used catalysts showed that the addition of iron reduced the coke formation. SEM photos of the catalysts support the TGA results.