Zirkonya destekli demir katalizörü ile sentez gazından olefin üretimi
Olefin production from synthesis gas with zirconia supported iron catalyst
Yazar: CEMİLE DUT
Danışman: DOÇ. DR. HALİT EREN FİGEN ; DR. ABDULLAH ZAHİD TURAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fischer-Tropsch sentezi = Fischer-Tropsch synthesis ; Katalitik reaksiyon = Catalytic reaction ; Kimyasal reaksiyon = Chemical reaction ; Kimyasal reaksiyon mühendisliği = Chemical reaction engineering ; Kinetik-katalitik yöntemler = Kinetic-catalytic methods ; Metal oksit katalizörü = Metal oxide catalyst ; İndirgenme reaksiyonu = Reduction reaction

Özet:
Bu çalışmada, sentez gazından hafif olefinlerin (etilen, propilen, bütilen) üretimine yönelik demir (Fe) bazlı katalizörlerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında, farklı yapıda olan ve farklı içeriğe sahip zirkonya malzemeleri kullanılarak, destekli katalizörler hazırlanmış ve katalitik etkinlikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Katalizör destek malzemesi olarak, yüksek stabiliteye sahip ve yüksek sıcaklığa dayanıklı tetragonal ve monoklinik zirkonya (ZrO2) malzemeleri kullanılmıştır. Buna ilave olarak, tetragonal yapının seryum (Ce) ve itriyum (Y) yüklü formaları da incelenmiştir. Hazır olarak temin edilen destek malzemelerinin yapısına, aktif metal olarak %10 demir ve promotör olarak %1-2 oranında Cu, Mn, Zn, Na, Ce ve K, emdirme veya çöktürme yöntemi uygulanarak dahil edilmiştir. Bu sırada promotör, yüzey aktif madde ve çözücü gibi farklı parametrelerin etkileri de incelenmiştir. Katalizör hazırlık sürecinde uygulanan ısıl işlemlerin etkisini belirlemek amacıyla katalizöre farklı kalsinasyon (550 ℃, 650 ℃ ve 750 ℃) ve indirgeme (400 ℃ ve 500 ℃) koşulları, reaksiyon koşullarının etkisini belirlemek için farklı reaksiyon basınçları (10 bar ve 20 bar) ve sıcaklıkları (300 ℃ ve 340 ℃) uygulanmıştır. Kullanılan parametrelerin yapısal etkileri, gerçekleştirilen SEM, BET, XRD ve TPR karakterizasyonları ile incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda çözücü olarak su kullanılmasının, %10 Fe yüklü katalizörlerin hazırlanmasının, kalsinasyon sıcaklığının 550 °C olmasının, indirgeme sıcaklığının 400 °C olmasının, reaksiyon koşullarının 10 bar ve 340 °C olmasının performansı daha iyi etkilediği görülmüştür. Ayrıca destekler arasından itriya katkılı zirkonyanın koklaşma ve deaktivasyon açısından katalizörlerin dayanıklılığını ve performansını artırdığı, olefin:parafin oranlarına göre 10Fe2Mn-1K-1Zn/Yt-ZrO2>10Fe2Zn-1K/Yt-ZrO2>10Fe2Zn-1K-1Cu/Yt-ZrO2>10Fe2Mn-1K/ Yt-ZrO2 şeklinde sıralanan katalizörlerin en yüksek dayanımı ve performansı gösterdiği ve yüzey aktif madde olarak farklı oranlarda PVA kullanımının katalizör davranışı üzerinde farklı etkileri olabildiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, it is aimed to develop supported iron-based catalysts for the production of light olefins from syngas. Within the scope of the study, zirconia-supported catalysts having different structures were prepared and their catalytic activities were investigated. The zirconia (ZrO2) phases studied are tetragonal and monoclinic forms, which are highly stable and resistant to high temperatures. In addition, cerium (Ce) and yttrium (Y) loaded forms of the tetragonal structure were examined. Via impregnation and precipitation methods, commercial support materials were loaded with 10% iron as active metal and 1-2% Cu, Mn, Zn, Na, Ce and K as promoter. The effects of different parameters such as promoter, surfactant and solvent were investigated. In order to determine the effect of heat treatment applied during catalyst preparation, several catalysts were prepared at different calcination (550 ℃, 650 ℃ and 750 ℃) and reduction (400 ℃ and 500 ℃) temperatures. Different reaction pressures (10 bar and 20 bar) and temperatures (300 ℃ and 340 ℃) were studied to examine the effect of reaction conditions on catalyst performance. The effects of the parameters on catalyst structure were investigated by performing SEM, BET, XRD and TPR characterizations. As a result of this study, it has been seen that the use of water as a solvent, the preparation of 10% Fe-loaded catalysts, the calcination temperature of 550 °C, the reduction temperature of 400 °C, the reaction conditions of 10 bar and 340 °C reveal a better catalytic performance. Moreover, it was observed that yttria-doped zirconia increased the durability and performance of the catalysts in terms of coking and deactivation. The best catalysts' performance in the decreasing order was: 10Fe2Mn-1K-1Zn/Yt-ZrO2>10Fe2Zn-1K/Yt-ZrO2>10Fe2Zn-1K-1Cu/Yt-ZrO2>5 considering olefin: paraffin ratios in the products.