تولید کاتالیزوری افزودنی های اکسیژن دار سوختی با استفاده از اتانول فوق بحرانی واتصال مستقیم دستگاه کروماتوگرافی فوق بحرانی با ستون پر شده به آشکارساز طیف سنج تحرک یونی کرونای پیوسته

در این رساله چهار تحقیق صورت گرفته که تمرکز سه تحقیق بر روی تبدیل اتانول به ترکیبات ارزشمند با قابلیت استفاده به عنوان سوخت به طور مستقیم یا به صورت افزودنی به سوخت های دیگر بوده و یک تحقیق نیز به استفاده از طیف سنج تحرک یونی با منبع یونش کرونای پیوسته به عنوان آشکارساز برای کروماتوگرافی فوق بحرانی با ستون پر شده اختصاص دارد. در تحقیق اول واکنش تبدیل اتانول به 1-بوتانول و دیگر محصولات اکسیژن دار مناسب برای استفاده به عنوان افزودنی های اکسیژن دار سوختی در سامانه پیوسته اتانول زیر و فوق بحرانی با استفاده از کاتالیزور اکسید مس/گاما-آلومینا انجام شد. اثر متغیرهای تأثیرگذار بر واکنش تبدیل اتانول بر کاتالیزور اکسید مس/گاما-آلومینا مثل دما، فشار، سرعت جریان اتانول و محتوای مس به کار رفته در کاتالیزور مورد بررسی قرار گرفت. بهترین شرایط برای تولید محصولات اکسیژن دار و به خصوص 1-بوتانول در دمای 300 درجه سانتیگراد، فشار 100 بار و سرعت جریان 3/0 میلی لیتر بر دقیقه از اتانول و محتوای 27 درصد مس در کاتالیزور حاصل شد به طوری که راندمان تولید 1-بوتانول در این دما به حدود 17 درصد رسید. بررسی فعالیت کاتالیزور برای مدت زمان 15 ساعت واکنش پیوسته حاکی از آن بود که کاتالیزور در مدت 15 ساعت واکنش هنوز فعال بوده و راندمان تولید محصولات و درصد تبدیل کلی اتانول بر روی آن ثابت باقی مانده بود. به منظور مطالعه خصوصیات کاتالیزور ساخته شده و همچنین تغییرات صورت گرفته در کاتالیزور در زمان واکنش، کاتالیزورها بعد از تکلیس و همچنین بعد از انجام 15 ساعت از واکنش تبدیل اتانول، به وسیله روش های xrd، tga و ftir بررسی شدند. در تحقیق دوم کاتالیزورهای نیکل و اکسید نیکل تثبیت شده بر روی پایه های مختلفی ساخته شدند و فعالیت آن ها در واکنش تبدیل اتانول به 1-بوتانول در سامانه پیوسته اتانول زیر و فوق بحرانی مورد سنجش قرار گرفت. تأثیر دما، فشار واکنش، سرعت جریان ورودی اتانول به سامانه، مقدار نیکل وارد شده به کاتالیزور و نوع پایه به کار رفته برای تثبیت نیکل در واکنش تبدیل اتانول به 1-بوتانول مورد بررسی قرار گرفت. همچنین کارایی کاتالیزور اکسید نیکل/گاما-آلومینا با کاتالیزورهای شامل نیکل/گاما-آلومینا و همچنین نیکل/ هیدروکسی آپاتیت در واکنش تولید 1-بوتانول مقایسه شد. نتایج تجربی بدست آمده نشان داد که کاتالیزور نیکل/گاما-آلومینای حاوی 8 درصد نیکل (ساخته شده با روش سنتز حالت جامد) دارای راندمان تولید کمتر ولی گزینش پذیری بالاتری نسبت به کاتالیزور اکسید نیکل/گاما-آلومینای ذکر شده در بالا می باشد. به کار بردن کاتالیزور نیکل/ هیدروکسی آپاتیت در واکنش تبدیل اتانول به 1-بوتانول باعث حصول نتایج مشابه و حتی بهتر از کاتالیزور اکسید نیکل/گاما-آلومینا شد. در شرایط بهینه واکنش (دمای 270 درجه سانتیگراد، فشار 150 بار و سرعت جریان 2/0 میلی لیتر بر دقیقه از اتانول) و با استفاده از کاتالیزور اکسید نیکل/گاما-آلومینا با محتوای 27 درصد وزنی نیکل، راندمان تولیدی برابر 21 درصد برای 1-بوتانول بدست آمد. به منظور مطالعه خصوصیات کاتالیزور ساخته شده و همچنین تغییرات صورت گرفته در کاتالیزور در زمان واکنش، کاتالیزورها بعد از تکلیس و همچنین بعد از انجام واکنش تبدیل اتانول، به وسیله روش های xrd، tga و ftir مورد بررسی قرار گرفتند که نتایج حاصله حاکی از پایداری خوب کاتالیزور در شرایط واکنش برای تولید 1-بوتانول بود. در تحقیق سوم کاتالیزور هیدروکسی آپاتیت و همچنین کاتالیزور آلومینیم فسفات-هیدروکسی آپاتیت به طور جداگانه ساخته شد و فعالیت آن ها در واکنش تبدیل اتانول به دی اتیل اتر مورد ارزیابی قرار گرفت. تأثیر متغیر هایی مثل دما، فشار و سرعت جریان اتانول در میزان تولید دی اتیل اتر با استفاده از طراحی آزمایشات بررسی شد. از لحاظ تئوری بهترین نتایج برای تولید دی اتیل اتر در شرایط واکنش 340 درجه سانتیگراد، فشار 200 بار و سرعت جریان 17/0 میلی لیتر بر دقیقه از اتانول حاصل شد. واکنش آب گیری از اتانول با استفاده از کاتالیزور آلومینیم فسفات-هیدروکسی آپاتیت در نقطه بهینه باعث حصول راندمان تولید و گزینش پذیری به ترتیب برابر 75 و 96 درصد برای دی اتیل اتر شد. گزینش پذیری مایع نیز در این شرایط به بالاتر از 97 درصد رسید. مطالعه فعالیت کاتالیزور به مدت 41 ساعت نشان داد که هیچ گونه تغییری در فعالیت کاتالیزور بعد از این مدت صورت نگرفته است. اندازه گیری میزان کلسیم، آلومینیم و فسفر در محصولات خروجی از سامانه نیز این نتیجه را به خوبی تأیید کرد. ساختار کاتالیزور و همچنین تغییرات ایجاد شده در کاتالیزور قبل و بعد از واکنش با روش های bet، xrd، tg، edx، ftir و همچنین سنجش میزان اسیدیته سطح مورد ارزیابی قرار گرفت. در تحقیق چهارم طیف سنج تحرک یونی با قابلیت استفاده به عنوان آشکار ساز دستگاه کروماتوگرافی با سیال فوق بحرانی مجهز به ستون پرشده طراحی و ساخته شد. استفاده از منبع یونیزاسیون کرونای پیوسته و همچنین طراحی حد واسط و مکان ورود مناسب نمونه به ims سبب شد که این سامانه قادر به تحمل مقادیر بالایی از دی اکسید کربن و اصلاحگر بدون از دست دادن مقادیر قابل توجهی از حساسیت اندازه گیری باشد. ورود تمامی نمونه خروجی از دستگاه sfc به ims علاوه بر اینکه باعث بالا رفتن حساسیت اندازه گیری می شد، محدودیت های استفاده از تقسیم کننده های جریان که باعث عدم تکرار پذیری اندازه گیری ها می شد را نیز مرتفع کرد. مطالعه تأثیر ورود دی اکسید کربن و اصلاحگر نشان داد که با افزایش ورود مقادیر این ترکیبات به ims حساسیت دستگاه کمی پایین می آید اما روش هنوز دارای حساسیت کافی برای اندازه گیری می باشد. حد واسط sfc به ims نیز طوری طراحی شد که قادر به انتقال مواد خارج شده از سامانه sfc و ورود آن به آشکار ساز ims باشد. جهت رفع محدودیت های ناشی از ماندن ترکیبات در فشار شکن برگشتی در اثر افت دمایی ایجاد شده ناشی از انبساط دی اکسید کربن که شامل تکرار پذیری ضعیف و مشاهده پیک های ناخواسته بود از یک جریان کمکی متانول بعد از ستون کروماتوگرافی و قبل از فشارشکن برگشتی استفاده شد که توانست درصد انحراف استاندارد نسبی را تا 5/4 درصد کاهش دهد. به منظور نشان دادن قابلیت دستگاه ساخته شده در اندازه گیری ترکیبات شیمیایی، دو دسته از ترکیبات در دو خانواده مجزا شامل کافئین، تئوفیلین، تستسترون و مدروکسی پروژسترون مورد بررسی قرار گرفتند.