Oxidative coupling of methane over lithium doped magnesium oxide

Abstract

Bu çalışmada, metanın oksijen varlığında yüksek hidrokarbonlu moleküllere dönüşümü hem monolitik yapıda hem de toz halde 0.5 wt.% Li/MgO katalizörü üzerinde incelenmiştir. Çalışma, temel olarak, hem monolit içersindeki boşluğun C2 (C2H4 + C2H6) verimine hem de mullite yapının zorlu OCM reaksiyonu şartlarında Li/MgO katalizörünün kararlığına etkilerini görmeyi amaçlamıştır. Li/MgO katalizörünün hazirlanmasinda, toz halinde ıslak emdirme ve karışık öğütme, monolit halinde ise batırarak-kaplama teknikleri kullanılmıştır. Toz katalizörün hazırlanmasında lityumun iki farklı öncül maddesi (LiNO3 and CH3COOLi) incelenmiştir. Tüm testler iç çapı 10 mm olan ve üretilen gazların hemen tahliye edilebilmesi için katalizör yatağından sonra çapı 2 mm ye düşürülen kuvars reaktörde gerçekleştirilmiştir. Bu işlem gaz fazı reaksiyonlarının en aza indirgenmesi ve üretilen gazların yoğuşturucuya gönderilebilmesi için yapılmıştır. Li/MgO katalizörünün morfolojik yapısını ve reaksiyon sırasındaki katalizördeki kütle değişimini analiz etmek için katalitik testlerden önce ve sonra SEM, EDX ve XRD testleri yapılmıştır. SEM görüntüsü reaksiyon sırasındaki lityum kaybını göstermektedir. Reaksiyon sırasındaki lityum kaybının etkilerini görebilmek için aktivite testlerini tek bir reaktörde kalış süresinde (time on stream) değil farklı kalış sürelerinde yapılmıştır. Sonuçlar toz katalizörde aktivite ve seçicilik değerlerinin beslenen gazların sisteme gönderilmesinden sonraki ilk iki saat içinde çok düştüğünü ve ilerleyen saatlerde de ise bu düşüşün azalarak ta olsa devam ettiğini göstermektedir. Ayrıca monolitik yapının toz katalizörden, daha kararlı olmakla beraber (zaman içinde aktivite kaybı daha az), daha düşük aktivite ve seçicilik gösterdiği belirlenmiştir. Monolitik yapının ısı transferinin düşük olması sebebiyle performansının da zayıf olduğu düşünülmektedir. Güçlendirilmiş monolit ve içindeki metal yapının indüksiyonlu fırın ile ısıtılması ileride yapılacak araştırmalar için umut vaat eden bir çözüm olarak önerilmektedir.

In this study, a monolithic structure was employed for oxidative coupling of methane reaction over lithium doped magnesium oxide catalyst and the results were compared to those over the particulate catalyst. The rationale behind the study was to see the effects of empty space within the monolith on C2 (C2H4 and C2H6) yield; and effects of monolithic structure on the stability of Li/MgO catalyst at harsh conditions of OCM reaction. 0.5 wt.% Li/MgO particulate catalyst was prepared by wet impregnation and mixed mill technique while the monolith catalyst was prepared by dip-coating technique. Furthermore, two different precursors of lithium (LiNO3 and CH3COOLi) in the particulate catalyst preparation were also investigated. All the tests were carried out in a 10 mm internal diameter quartz reactor, which had a reduced part (2 mm) exactly after the catalyst bed in order to evacuate produced gases immediately from the reaction medium. This was done to minimize gas phase reactions and send product gases to the condensers. SEM, EDX, and XRD tests were also done on the catalysts to see morphological and quantitative changes in the Li/MgO catalysts before and after catalytic tests. SEM images illustrate loss of Li during the reaction; considering this drawback, time on stream tests were done to see activity and selectivity changes by time. Experiments showed a drastic activity and selectivity decrease for particulate catalyst within first two hours of reactant gases introduction, which continued for the next hours in lesser extent. On the other hand, monolithic structure showed a poor activity and selectivity in comparison with particulate catalyst even though the stability seem to be increased by the use of monolithic structure. It is believed that poor performance of monolithic structure is related to its poor heat transfer. Reinforced monolith with metal framework, which is heated using an induction furnace is proposed as a promising technology for further investigations.