بررسی و مدل سازی سینتیکی فرایند فیشر- تروپش بر روی کاتالیزورهای نانوساختاری آهن

امروزه به روشنی ثابت شده است که عملکرد کاتالیزور های ناهمگن در برخی از واکنش های شیمیایی تحت تاثیر ساختار هندسی و طبیعت شیمیایی سیستم های واکنش دهنده قرار داردکه این پدیده عموماً به حساسیت ساختمانی تعبیر شده است. عبارت ساختمان در کاتالیزوری ناهمگن عموماً شامل ساختار بلورین، اندازه منافذ و اندازه ذرات فاز فعال می باشد. هدف از انجام این تحقیق بررسی وابستگی پارامتر های سینتیکی فرایند سنتز فیشر- تروپش به ساختار کاتالیزورهای آهن و ارزیابی میزان حساسیت ساختمانی واکنش مزبور می باشد. فرایند سنتز فیشر- تروپش شامل تبدیل گازهای منوکسیدکربن و هیدروژن به هیدروکربن های مایع است. علاوه بر تولید هیدروکربنها، کاتالیزورهای آهن در واکنش شیفت آب- گاز (واکنش دوطرفه بین منوکسید کربن و آب حاصل از سنتز فیشر- تروپش با هیدروژن و دی اکسید کربن) نیز فعال است. لذا در بررسی های سینتیکی سنتز فیشر- تروپش با استفاده از کاتالیزورهای آهن، معادلات سرعت برای تبدیل واکنشگرها، تولید محصولات و نیز سرعت تولید دی اکسید کربن به عنوان سرعت واکنش شیفت آب- گاز، بدست می آید. در نخستین گام برای ارزیابی حساسیت به ساختار برای کاتالیزورهای آهن بایستی امکان ساخت کاتالیزورهایی با ابعاد بلورین متفاوتی را فراهم آورد. خوشبختانه نانوتکنولوژی این امکان را فراهم آورده و روش های متفاوتی برای ساخت کاتالیزورهایی با ابعاد ذرات متفاوت وجود دارد. یکی از بهترین روش های ساخت کنترل شده کاتالیزورهای آهن با ابعاد ذرات متفاوت، روش میکروامولسیون است. به همین دلیل در این تحقیق با استفاده از روش های متداول توده ایی و میکروامولسیون، کاتالیزورهای آهن ارتقا یافته با مس و لانتانیوم با ابعاد متفاوت ذرات فاز فعال تهیه گردید. در روش توده ایی، کاتالیزور آهن با روش هم رسوبی از نمک های نیترات آهن و نیترات مس ساخته شده و سپس ارتقا دهنده های لانتانیوم و سیلیس به کاتالیزور افزوده شد. در روش میکروامولسیون، نمک های نیترات آهن و نیترات مس محلول در امولسیون آبی- آلی شامل کلرفرم، 1- بوتانل و آب به همراه سورفکتانت مناسب به صورت یک فاز یکنواخت، آماده شده و رسوب گیری از این فاز یکنواخت به منظور تهیه رسوبات نانوساختاری توسط احیا کننده هیدرازین انجام شد. به منظور ساخت کاتالیزورهایی با ابعاد فاز فعال مختلف، از سورفکتانت های سدیم دودسیل سولفات (sds)، سدیم دودسیل بنزن سولفات (sdbs) و تریتون ایکس100 (triton x100)، استفاده شد. خصوصیات فیزیکو شیمیایی کاتالیزورهای ساخته شده به روش های احیای برنامه ریزی شده دمای (tpr)، اندازه گیری سطح کلی کاتالیزور و توزیع حفرات آن ها با استفاده از جذب و دفع نیتروژن، پراش اشعه ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. ابعاد فاز فعال کاتالیزورهای ساخته شده با استفاده از نتایج پراش اشعه ایکس، سطح کلی کاتالیزور و تصاویر میکروسکوپ الکترونی اندازه گیری شد و با یکدیگر مقایسه گردید. ابعاد نانوذرات اکسید آهن (هماتیت) ساخته شده از 12 نانومتر برای سورفکتانت سدیم دودسیل بنزن سولفات (sdbs) تا 39 نانومتر برای کاتالیزور ساخته شده به روش توده ایی معمولی متغیر است. همچنین نتایج بدست آمده نشان می دهد که با افزایش مقدار موازنه آبدوستی/آب گریزی (hlb) در ساختار سورفکتانت در سیستم میکروامولسیون، متوسط ابعاد ذرات و توزیع اندازه ذرات افزایش می یابد. برای بررسی سینتیکی این فرایند از روش لانگمویر- هینشل وود- هاگن – واتسون (lhhw) استفاده شد که برای توسعه مدل های سینتیکی با این روش نیاز به شناخت مکانیسم واکنش های اتجام شده بر سطح کاتالیزور می باشد. در این بررسی نظریه های کاربیدی، انولی و ورود مستقیم منوکسید کربن برای شناخت واکنش های اولیه مورد نظر قرار گرفت و مکانیسم های سطحی برای توسعه معادلات سینتیکی تولید محصولات، تبدیل خوراک و سرعت تولید دی اکسید کربن بر اساس این نظریه ها در نظر گرفته شد. پارامترهای موجود در این معادلات سینتیکی با توجه به نتایج تجربی برای کاتالیزور توده ایی با استفاده از روش های طراحی آزمایش، بدست آمد. معادلات سینتیکی بدست آمده با استفاده از روش های ترمودینامیکی ارزیابی حساسیت ساختاری به معادلات سینتیکی وابسته به ابعاد توسعه داده شد و پارامترهای وابسته به ابعاد موجود در این روابط با استفاده از نتایج تجربی برای کاتالیزورهای ساخته شده در مراحل قبلی مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین در پایان این تحقیق، نحوه غیر فعال شدن کاتالیزورهای ساخته شده با ابعاد مختلف مورد بررسی قرار گرفت.