Ni içerikli mezogözenekli magnezya (MgO) ve alumina (γ-Al2O3) destekli katalizörler varlığında asetik asitin buharlı reformlanma reaksiyonu
Steam reforming of acetic acid over Ni-containing mesoporous magnesia (MgO) and alumina (γ-Al2O3) supported catalysts
Yazar: SALEH AHMAT IBRAHIM
Danışman: PROF. DR. NURAY OKTAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında, asetik asitten çevre dostu, yenilenebilir ve sürdürülebilir temiz hidrojen üretiminde katalizör olarak kullanılmak üzere kok oluşumuna dirençli, geniş yüzey alanlı, kararlı ve yüksek katalitik aktiviteye sahip Ni içerikli, MgO ve γ-Al2O3  destekli katalizörler sentezlenmiş ve aktivite test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Mezogözenekli MgO ve γ-Al2O3  destek malzemeleri sırasıyla hidrotermal ve EISA yöntemi ile hazırlanmıştır. Çalışmada, sentezlenen MgO ve γ-Al2O3  numunelerin yapısına Ni, Mg ve/veya La emdirme yöntemi ile ilave edilmiştir. Hazırlanan Ni içerikli, MgO ve γ-Al2O3  destekli katalizörlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri XRD, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, SEM, EDS, FTIR, DRIFTS ve TGA-DTA analizleri ile belirlenmiştir. Katalitik aktivite test çalışmaları, dolgulu kolon sürekli akış reaktör sisteminde 750°C reaksiyon sıcaklığında, 1/2,5/2:AA/H2O/Ar besleme molar oranında, 3 saat süreyle yürütülmüştür. Aktivite test çalışması sonucunda, %100 asetik asit dönüşümü, %37,15 karbon oluşumu ile en yüksek hidrojen seçiciliği (%81,75) 5Ni@γ-Al2O3 varlığında elde edilmiştir. Ayrıca, 5Ni@γ-Al2O3  katalizörün yapısına ilave edilen magnezyumun katalitik aktiviteyi düşürdüğü, termal kararlılığı arttırdığı ve yüzey asiditesi azalttığı görülmüştür. TGA analizi ışığında, mono-metallik katalizör yüzeyinde biriken karbonun Mg eklenmesi ile %12,44'e kadar düşürüldüğünü belirlenmiştir. Gerçekleştirilen çalışmaların sonucunda katalizör destek malzemesinin, asetik asit dönüşümünü, hidrojen verimini ve karbon birikimini önemli ölçüde etkilediği tespit edilmiştir. Reaksiyon sıcaklığının (550°C, 650°C ve 750°C) ve besleme molar oranının (AA/H2O: 1/2,5; 1/5 ve 1/10) asetik asit dönüşümüne ve hidrojen seçiciliğine etkisinin 5Ni-3Mg@γ-Al2O3  katalizöründe incelenmiştir. Yürütülen çalışma sonucunda, beslemedeki suyun oranı arttıkça hidrojen verimi oldukça arttığı gözlenmiştir. Buna ek olarak, artan su miktarı ile asetik asit dönüşümü değişmezken artan sıcaklığın dönüşümü artırdığı görülmüştür. 750°C reaksiyon sıcaklığında yürütülen stabilite testi sonucunda 5Ni-3Mg@γ-Al2O3 katalizörü 12 saat boyunca aktif ve yüksek termal kararlılığa sahip olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, sentezlenen katalizörler biyokütle bazlı asetik asitten alternatif yakıt hidrojen üretiminde yüksek aktivite göstermiştir.

Abstract:
In the present study, environmentally friendly, renewable, sustainable, and clean hydrogen production from bio-oil derived acetic acid was investigated over robust Ni-based, MgO and γ-Al2O3  supported catalysts with large surface area, excellent thermal stability, high catalytic activity, and high anti-coking resistance. Mesoporous MgO and γ-Al2O3 catalyst supports were synthezied through hydrothermal and EISA (Evaporation-Self-Induced-Assembly) method, respectively. Subsequently, Ni, Mg and/or La metal contents were introduced into the catalyst supports' (MgO and γ-Al2O3 ) structure following a wet-impregnation route. The synthesized Ni-containing, MgO and γ-Al2O3   supported catalysts have been characterized by XRD, N2 adsorption-desorption, SEM, EDS, FTIR, DRIFTS and TGA-DTA analysis to define their physical and chemical properties. The catalytic activity tests were conducted in a packed bed continuous reactor system at a reaction temperature of 750°C and a feed molar ratio of 1/2.5/2: AA/H2O/Ar for 3 hours. Complete acetic acid conversion (100%), high carbon formation (37.15%), and high hydrogen selectivity (81.75%) were obtained over the mesoporous 5Ni@γ〖-Al〗_2 O_3 catalyst. Moreover, the incorporation of Mg into the mono-metallic 5Ni@γ-Al2O3  catalyst structure lessens its catalytic acticity performance, enhances its thermal stability, and reduces its surface acidity. TGA results reveal that, the proportion of carbon formed over the mono-metallic catalyst surface was lowered to 12.44% after the addition of Mg metal. It was concluded that, the catalyst support has a significant effect on acetic acid conversion, hydrogen yield and coke formation. Furthermore, temperature (550°C, 650°C and 750°C) and feedstock molar composition (AA/H2O: 1/2,5; 1/5 and 1/10) effect on conversion and hydrogen selectivity were investigated over 5Ni-3Mg@γ-Al2O3  catalyst giving the highest catalytic activity performance. It was found that, increasing the amount of water in the feedstock noticeably enhances hydrogen yield. Besides, increasing temperature remarkably increases the acetic acid conversion. However, no significant effect of varying feedstock composition on conversion has been observed. Results of long-life experiment conducted at the reaction temperature shows that, the promising 5Ni-3Mg@γ-Al2O3 catalyst was highly active and thermally stable for 12 hours. Therefore, using the newly developed Ni-based catalysts, it is feasible to produce alternative, clean fuel hydrogen from biomass-derived acetic acid.