Krom ve molibden içerikli mezogözenekli alümina destekli katalizörlerin etan dehidrojenasyonunda mikrodalga reaktörde incelenmesi

Abstract

Yüksek lisans tezi kapsamında, temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olan hidrojen mezogözenekli alümina destekli katalizörler varlığında etan dehidrojenasyon reaksiyonu ile üretilmiştir. Etanın oksidatif olmayan dehidrojenasyonu ile COx içermeyen hidrojenin yanı sıra petrokimya endüstrisi için önemli bir hammadde olan etilenin üretimi de gerçekleştirilmiştir. Çalışmada mezogözenekli alümina (MA) destek malzemesi, hidrotermal (EISA) yöntem kullanılarak sentezlenmiştir. Katalizörlerin termal dayanımını arttırmak amacıyla malzemelerin yapısına zirkonyum tek kap yöntemi ile eklenmiştir. Etan dehidrojenasyonunda aktif olan krom ve molibden metalleri emdirme yöntemiyle mezogözenekli alümina ve zirkonyum içerikli alümina (Zr-MA) destek malzemelerinin yapısına yüklenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin yapısal ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesi için N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD, piridin adsorplanmış numunelerin DRIFTS ve SEM-EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan katalizörlerin aktivite test çalışmaları, konvansiyonel sistemlere göre daha verimli enerji kullanımı sağlayan mikrodalga ısıtmalı reaktör sisteminde düşük sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon çalışmalarında, katalizörlerin yapısına farklı oranlarda yüklenen Zr, Cr ve Mo metallerinin katalizör aktivitesine etkisi incelenmiştir. Gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, zirkonyumun yapıya eklemesi ile katalizör kararlılığının artmasının yanı sıra katalizör aktivitesi de artmıştır. Mo içerikli katalizörler, Cr içerikli katalizörlere göre daha yüksek aktiviteye ulaşmıştır. Aktivite test çalışmaları sonucunda belirlenen, en yüksek aktiviteyi gösteren 25Mo@10Zr-MA katalizörü varlığında reaksiyon sıcaklığının dönüşüme etkisi incelenmiştir. Ayrıca, konvansiyonel ısıtmalı reaktör sisteminde 650°C sıcaklıkta reaksiyon deneyleri yürütülmüştür. Konvansiyonel ısıtmalı sistemde 650°C'de 5Cr@10Zr-MA ve 5Mo@10Zr-MA katalizörleri ile gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda sırasıyla %33 ve %43 etan dönüşümü elde edilirken, mikrodalga ısıtmalı reaktör sisteminde 450°C'de aynı katalizörler ile gerçekleştirilen test çalışmaları sonucunda etan dönüşümü sırasıyla %45 ve %53 değerlerine ulaşmıştır.

In the scope of M.Sc. thesis, hydrogen, which is a clean and sustainable energy source, was produced by the dehydrogenation reaction of ethane in the presence of mesoporous alumina supported catalysts. Not only COx-free hydrogen was produced by non-oxidative dehydrogenation of ethane, but also ethylene, which is an important raw material for the petrochemical industry was produced. In this study, mesoporous alumina (MA) support materials were synthesized using the hydrothermal (EISA) method. Zirconium was added to the catalyst structure by one-pot synthesis method to increase the thermal stability of the catalysts. Chromium and molybdenum, which are active metals in the ethane dehydrogenation, are loaded into the structure of mesoporous alumina and zirconium-alumina (Zr-MA) by impregnation method. Characterization techniques such as N2 adsorption-desorption, XRD, pyridine adsorbed DRIFTS and SEM-EDS analysis were performed to determine the structural and physical properties of the catalysts. The activity tests of the catalysts were initially carried out at low temperature in the microwave heated reactor system, which is achieved more efficient energy utilization than the conventional heating system. The effect of Zr, Cr and Mo metals loaded on catalysts in different ratios on catalyst activity was investigated. As a result of the activity tests, addition of zirconium to the structure increased catalyst activity as well as stability. Mo containing catalysts showed higher activity than Cr containing catalysts. The effect of reaction temperature on conversion was investigated in the presence of 25Mo@10Zr-MA catalyst, which showed the highest activity in previous studies. Furthermore, some activity tests were further carried out at 650°C in the conventionally heated reactor system. The activity test results have shown that ethane conversion over 5Cr@10Zr-MA and 5Mo@10Zr-MA catalysts at 450°C in the microwave heated reactor system reached to 45% and 53%, while the conversion over the same catalysts at 650°C in the conventionally heated reactor system was obtained as 33% and 43%, respectively.