Propanın katalitik seçici oksidasyonu ile propilen eldesi için destekli ve desteksiz karışık metal oksit katalizör geliştirilmesi ve kinetik çalışmalar
Devolopment of supported and unsupported mixed metal oxide cataysts and kinetics studies for propylene production by catalytic selective oxidation of propane
Yazar: ÖZGE AKTAŞ PANTA
Danışman: DOÇ. DR. SENA YAŞYERLİ ; PROF. DR. GÜLŞEN DOĞU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, propanın katalitik seçici oksidasyon reaksiyonu ile propilen eldesi (propanın oksidatif dehidrojenasyonu, PODH) için, aktif, seçici ve kararlı katalizörler geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, SBA-15 (Santa Barbara Amorphous), Al-SBA-15, Al-MCM-41 (Mobil Composition of Matter), MCF (Mesostructured Cellular Foam) ve seryum-oksit destekli V, Cr, Mo, Ce ve Nb içeren ve desteksiz Mo, V ve Nb oksit katalizörler farklı sentez yöntemleri ile hazırlanmıştır. SBA-15 ve MCF destek malzemeleri farklı pH değerlerinde (pH:1,0, 1,5 ve pH: 1,15, 1,50) hazırlanmıştır. Sentez çözeltisindeki pH değerinin ürünün yapısal ve fiziksel özelliklerini ve özellikle MCF malzemesinin düzenli gözenek yapısının değiştirdiği belirlenmiştir. pH:1,5'ta metal içeren SBA-15 destekli katalizörlerde yüksek asidik koşullarda yapıya tam olarak yerleşmeyen metallerin pH arttıkça SBA-15 yapısına yerleştiği görülmüştür. Farklı V/Si mol oranlarında hazırlanan V içerikli SBA-15 (pH:1,5) destekli katalizörlerin PODH katalitik aktivite testi sonucu V-SBA-15m-II (V/Si:0,062) katalizörü ile 600 oC reaksiyon sıcaklığında %39 propan dönüşümü ve %63 propilen seçiciliği elde edilmiştir. Yüksek katalitik aktivite gösteren V-SBA-15m-II (V/Si:0,062) katalizörü ile 700 oC reaksiyon sıcaklığında, bu çalışmada ulaşılan en yüksek propilen verimi (%28) elde edilmiştir. Seçici oksidasyon reaksiyonlarında yüksek oksijen tutma kapasitesi ile dikkat çeken seryum içeren ve yeni bir malzeme olan mezogözenekli V, Mo ve Cr içeren seryum-oksit malzemesi EISA (evaporation induced self-assembly) yöntemi ile hazırlanmıştır. Malzemelerin karakterizasyon çalışmaları ile mezogözenekli formda ve düzgün gözenek boyut dağılımına sahip oldukları belirlenmiştir. EISA, kompleksleştirme ve karıştırma yöntemi ile hazırlanan V, Mo ve Nb içeren destek malzemesiz katalizörlerden en yüksek katalitik aktivite (%30 propan dönüşümü, %67 propilen seçiciliği) EISA yöntemi ile hazırlanan Mo0,71V0,20Nb0,09-EISA katalizörü ile elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of this study is to develop active, selective and stable catalysts to produce propylene by selective catalytic oxidation of propane (oxidative dehydrogenation of propane, ODHP). For this purpose, SBA-15 (Santa Barbara Amorphous), Al-SBA-15, Al-MCM-41 (Mobil Composition of Matter), MCF (Mesostructured Cellular Foam) and cerium-oxide supported V, Cr, Mo, Ce, Nb catalysts and unsupported Mo, V, Nb mixed metal oxide catalysts were synthesized by different methods. SBA-15 and MCF support materials were prepared at different pH values (pH: 1,0, 1,5 and pH:1,15, 1,50). The structure and physical properties of the prepared materials changed and especially ordered pore structure of MCF were destroyed in the synthesis in high pH solution. Metal incorporated SBA-15 catalysts were successfully synthesized by one-pot hydrothermal procedure at pH value of 1,5. However, metal incorporated SBA-15 with desired metal content could not be prepared at high acidic environment. The results obtained with SBA-15 supported catalysts prepared by different V/Si mole ratios showed that V-SBA-15m-II (V/Si:0,062) catalyst had the highest propane conversion (39%) and propylene selectivity (63%) among other catalysts in ODHP catalytic activity test at 600 oC. The highest propylene yield (28%) in this study was obtained with V-SBA-15m-II (V/Si:0,062) catalyst at 700 oC reaction temperature. A new mesoporous cerium-oxide material attracted by having highly mobile capping oxygen on its surface was synthesized by EISA (evaporation induced self-assembly). V, Mo, Cr incorporated ceria catalysts were prepared by EISA method and impregnation. Characterization results showed the formation of the mesoporous materials with ordered pore size distributions for cerium-oxide material and V, Mo and Cr incorporated ceria catalysts. Additional, unsupported V, Mo and Nb catalysts were prepared by EISA, complexation and mixing methods and tested for ODHP reaction. The highest catalytic activity (propane conversion: 30% and propylene selectivity: 67%) was obtained with Mo0,71V0,20Nb0,09-EISA catalyst prepared by EISA procedure at 600oC.