تولید هیدروژن و نانوفیبرکربنی از تجزیه متان توسط کاتالیست نیکل بر پایه mgo و مطالعه سینتیکی فرایند

در این تحقیق فرایند تجزیه متان به منظور تولید نانوفیبرکربنی و هیدروژن عاری از co2 مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل فعالیت بالای فلز نیکل در تولید نانوساختارهای کربنی، کاتالیست نیکل بر پایه اکسید منیزیم برای انجام این فرایند انتخاب گردید. جهت بررسی کیفیت نانوفیبرهای کربنی آنالیزهای رامان، پراش پرتو ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری انجام شد. نتایج حاصل از تست های رآکتوری و آنالیزها نشان داد که کاتالیست با مقدار 40% وزنی نیکل بر پایه mgo برای تولید نانوفیبرکربنی مناسب می باشد. همچنین اثر فلزات تقویت کننده چون مس و مولیبدن به مقدار 10% وزنی نسبت به پایه در بازده تولید نانوفیبرکربنی و پایداری کاتالیست فرایند بررسی گردید. نتایج آزمایشات نشان داد که افزایش بازده تولید کربن و پایداری در کاتالیست حاوی مس بسیار بیشتر از کاتالیست حاوی مولیبدن می باشد و نانوفیبرکربنی از کیفیت بهتری برخوردار است. همچنین بررسی اثر روش تهیه در کاتالیست nimgo ساخت شده به روش تلقیح، همرسوبی و سل ژل نشان داد که بازده کربن و پایداری کاتالیست سل ژل در مقایسه با روشهای دیگر به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. بنابراین کاتالیست مناسب در تولید نانوفیبرکربن کاتالیست ni-cu-mgo با مقادیر 40% وزنی نیکل و 10% وزنی مس به روش سل ژل تهیه گردید. مقدار هیدروژن تولید شده توسط این کاتالیزور در طی یک ساعت برابرl/gcat 48/19 حاصل شده است. همچنین سینتیک واکنش تجریه مستقیم متان به هیدروژن و نانوفیبرکربن بر روی این کاتالیست مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات در یک رآکتور بستر ثابت و در محدوده دمای 550 -650 درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر انجام شده است. 14 مدل سینتیکی بر اساس مکانیزم های مختلف درنظرگرفته شد و مقادیر پارامترهای معادلات سینتیک توسط بهینه سازی با الگوریتم ژنتیک محاسبه گردید. جهت ارزیابی نتایج مدلسازی، جدول آنالیز واریانس برای هر مدل تهیه گردید و با مقایسه مقادیر f با مقادیر توزیع فیشر در جداول آماری، برخی از مدل های سینتیکی رد شد. سپس از میان بقیه معادلات سینتیکی، یک مدل با کمترین مقدار متوسط مربعات خطا بعنوان بهترین مدل انتخاب شد. این مدل مربوط به مکانیزمی است که جدایش اولین هیدروژن از متان جذب شده روی سطح کاتالیزور را بعنوان مرحله تعیین کننده سرعت واکنش در نظر می گیرد. این مدل سینتیکی انرژی فعالسازی واکنش را درحدود kj/mol 57 پیش بینی می کند که سازگار با مقدار گزارش شده در مقالات است. غیرفعال شدن کاتالیزور در نتیجه نشست کربن بر سطح کاتالیزور صورت می گیرد. با بررسی روند غیرفعال شدن کاتالیزور مشخص شد که در این فرایند فاکتور فعالیت a تابعی از زمان، دما و فشارجزئی متان و هیدروژن بوده و رابطه کاهش کاتالیزور از مرتبه دو می باشد.