H2S'ün elementel kükürde seçici oksidasyonu için yeni y katkılı fe katalizörü geliştirilmesi ve aktivitesi
Development and activity of new y doped fe catalyst for selective oxidation of H2S to elemental sulfur
Yazar: GÜLİZ VARLI
Danışman: PROF. DR. SENA YAŞYERLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Endüstriyel ihtiyaçlarla birlikte artış gösteren petrokimya ve çeşitli üretim tesislerinden H2S gazı açığa çıkmaktadır. Zehirli, korozif, insan ve çevre sağlığı için zararlı olan H2S, SuperClaus prosesinde gerçekleştirilen seçici oksidasyon tepkimesiyle ekonomik değeri olan elementel kükürde dönüştürülebilmektedir. Bu çalışmada, H2S'ün seçici oksidasyonu için yüksek aktiviteye sahip, kararlı ve yeni bir katalizör geliştirilmesi amaçlanmış ve Y-Fe katalizörleri sentezlenmiştir. Y:Fe molar oranı sırasıyla 1:0, 1:1 ve 1:4 olan Y100, Y50Fe50 ve  Y20Fe80 katalizörleri, kompleksleştirme yöntemiyle hazırlanmıştır. Kütlece %10 aktif faz içeren, ticari alümina ile desteklenen Y100@Tic.Al2O3 ve Y50Fe50@Tic.Al2O3 katalizörleri, ıslak emdirme yöntemi ile sentezlenmiştir. Katalizörlerin yapısal ve fiziksel özellikleri XRD, N2 adsorpsiyon-desorspiyon, EDS, SEM ve TPR analizleri ile belirlenmiştir. XRD analizleri ile, Y100 katalizöründe Y2O3, amorf yapı sergileyen Y50Fe50 katalizöründe Y2O3 ve Y3Fe5O12, amorf olan Y20Fe80 katalizöründe Y2O3 ve -Fe2O3 yapıları tespit edilmiştir. Y100@Tic.Al2O3 ve Y50Fe50@Tic.Al2O3 katalizörlerinde, baskın faz γ-alüminadır. Y100@Tic.Al2O3 katalizörünün yapısında γ-alümina ile birlikte -Fe2O3 formu saptanmıştır. Demir ilavesi, Y-Fe katalizörlerinin indirgenme özelliğini ve yüzey alanını yükseltmiştir. Katalizörler, dolgulu kolonda, öncelikle 250°C ve stokiyometrik O2/H2S gaz bileşiminde denenmiştir. En yüksek katalitik aktiviteyi 120 dakikalık deney süresince Y20Fe80 katalizörü sergilemiştir. Katalitik aktivitenin geliştirilmesi amacıyla destek malzemesi ile hazırlanan Y100@Tic.Al2O3 ve Y50Fe50@Tic.Al2O3 katalizörlerinin aktivite deneyleri sonucunda ticari alümina desteğinin, katalizörün katalitik aktivitesini geliştirdiğini göstermiştir. Y-Fe katalizörleri, 200-300°C'de, O2/H2S: 0-2 içeren gaz bileşimlerinde de test edilmiş, aktivite deneyleri sonrasında gerçekleştirilen XRD analizleri ile mevcut yapılarını korudukları görülmüştür. Tüm tepkime şartlarında en yüksek aktiviteyi sağlayan Y20Fe80 katalizörü, uzun ömürlülük deneyinde 500 dakika süresince %100 H2S dönüşümü ve elementel kükürt seçiciliği sergileyerek kararlı yapısını uzun süre korumuştur.

Abstract:
H2S gas is emitted from petrochemical and various production facilities as a result of increasing industrial needs. H2S, which is toxic, corrosive and harmful to human and environment health,  can be converted to elemental sulfur having an economic value through selective oxidation reaction within SuperClaus process. In this study, it was aimed to develop highly active, stable and new catalysts for selective oxidation of H2S and Y-Fe catalysts were synthesized. Y100, Y50Fe50 and Y20Fe80 catalysts with Y:Fe molar ratio of 1:0, 1:1, and 1:4 respectively were prepared by using complexation method. Y100@Tic.Al2O3 and Y50Fe50@Tic.Al2O3 catalysts contaning 10% (weight) active phase and supported by commercial alumina were synthesized by wet impregnation method. The structural and physical properties of the catalysts were determined by XRD, N2 adsorption-desorsption, EDS, SEM and TPR analyses. By XRD analysis, Y2O3 in Y100 catalyst, Y2O3 and Y3Fe5O12 in Y50Fe50,  Y2O3 and -Fe2O3 structures in Y20Fe80 catalyst were determined. In Y100@Tic.Al2O3 and Y50Fe50@Tic.Al2O3 catalysts' structure found as γ-alumina. In Y50Fe50@Tic.Al2O3 Y2O3 form is detected within the predominant phase γ-alumina. Iron additive increased the reduction property and surface area of Y-Fe catalysts. Catalysts tested in the packed column, were primarily tested at 250°C and in the stoichiometric O2/H2S gas composition. Y20Fe80 catalyst exhibited the highest catalytic activity for a period of 120 minute experiment. The activity test results of Y100@Tic.Al2O3 and Y50Fe50@Tic.Al2O3 catalysts have shown that the commercial alumina support improves the catalytic activity of the catalyst. Y-Fe catalysts were tested in the gas composition containing O2 / H2S: 0-2 at 200-300°C, and following the activity tests, it was observed that the existing structures were protected by XRD analyses. The Y20Fe80 catalyst has maintained its stable structure, which provides the highest activity under all reaction conditions, exhibited 100% H2S conversion and elemental sulfur selectivity for 500 minutes in the long term test.