ساخت کاتالیست نانوساختار اکسید آهن برای واکنش انتقال آب-گاز دما بالا

فرایند انتقال آب – گاز یکی از قدیمی ترین واکنش های کاتالیستی ناهمگن می باشد که در صنعت برای تولید هیدروژن با خلوص بالا و کاهش مونوکسید کربن از گاز سنتز خصوصا در واحد تولید آمونیاک بکار می رود. از آنجا که این واکنش از جمله واکنشهای حساس به ساختار می باشد روش ساخت کاتالیست و خصوصیات ساختاری تاثیر بسزایی بر عملکرد کاتالیستی دارد. بنابراین در این پژوهش سعی شده است که روش¬های مختلف تولید کاتالیست های مرسوم fe-cr-cu (با ترکیب درصدی مشابه با کاتالیست های صنعتی و حاوی 80/88% وزنی fe2o3، 88/8% وزنی cr2o3 و 32/2% وزنی cuo) از جمله همرسوبی، همرسوبی نسبتی، همرسوبی اکسیداسیونی، همرسوبی همگن، همرسوبی میکروامولسیونی و پیرولیز مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر پارامترهای مختلف بر خصوصیات ساختاری و عملکردی این کاتالیست ها بررسی شود. آنالیز xrd نمونه های تهیه شده تائید کننده آن بود که از میان روش های بررسی شده روش های پیرولیز و همرسوبی اکسیداسیونی منجر به تشکیل کاتالیست ها مستقیما در فاز فعال (مگنتیت) می شوند. برمبنای روش ساخت مساحت سطحی و ویژگی های ساختاری کاتالیست ها متفاوت بوده و از14 تا m2/g 128 متغیر بودند. نتایج بیانگر آن بودند که کاتالیست fe-cr-cu تهیه شده به روش همرسوبی ساده دارای فعالیت بالاتری نسبت به کاتالیست های تهیه شده با روش های دیگر بوده و در مدت زمان بررسی 100 ساعت نیز به خوبی پایدار بوده است. آنالیز tem نیز تائید کننده ساختار نانوکریستالی با اندازه کریستال های زیر 20 نانومتر برای این کاتالیست بود. اگرچه کاتالیست های صنعتی این فرایند، کاتالیست های fe-cr-cu است اما از مهمترین چالش های پیش رو در فرایند دما بالای انتقال آب-گاز، بنا بر نگرانی های زیست محیطی و بهداشتی موجود، جایگزینی کروم با سایر عناصر به نحوی که فعالیت و پایداری بالای کاتالیست نیز حفظ شود، می باشد. بدین منظور در ادامه کار سعی بر آن شد که مجموعه ای از فلزات که بتوانند از طرفی موجب بهبود خصوصیات ساختاری کاتالیست بر مبنای آهن شود و از طرف دیگر به عنوان ارتقادهنده عملکردی موجب افزایش فعالیت کاتالیستی آن شوند بکارگرفته شود. بنابراین امکان جایگزینی کروم با برخی ارتقادهنده ها از جمله al ، mn، ce، ni، co و cu بررسی شد. کاتالیست های آهن ارتقا یافته با این ارتقادهنده ها به روش های همرسوبی ساده و پیرولیز تهیه و تاثیر افزودن این ارتقادهنده ها بر خصوصیات ساختاری و عملکردی کاتالیست های بر مبنای آهن بررسی گردید. از نتایج بدست آمده چنین دریافت شد که در روش پیرولیز، تاثیر متقابل منگنز و نیکل امکان دستیابی کاتالیستی با فعالیت و پایداری بالا را فراهم می آورد و بدین ترتیب کاتالیست fe-mn-ni با نسبت های وزنی10fe/mn= و 5fe/ni= دارای بیشترین فعالیت در میان کاتالیست های تهیه شده بودند. این کاتالیست در طی مدت زمان بررسی شده 10 ساعت فعالیت پایداری را نشان داد. در مورد کاتالیست های تهیه شده به روش همرسوبی ساده نتایج بدست آمده حاکی از آن بود که کاتالیست fe-al-cu با نسبت وزنی 10fe/al= و 10fe/cu= ، بیشترین تبدیل مونوکسید کربن را در میان کاتالیست های آهن ارتقا یافته نشان داد. علاوه بر این، چنین مشاهده شد که افزودن 12% وزنی اکسید منگنز، 9% وزنی اکسید باریم و 3% وزنی اکسید سزیم موجب بهبود فعالیت کاتالیست fe-al-cu می شود اما تاثیر چندانی بر پایداری بلند مدت آن نداشته و کاتالیست های fe-al-cu با و بدون ارتقا دهنده در طی زمان کاهش اندکی در فعالیت کاتالیستی نشان می دهند. برای رفع این مشکل از نیکل به جای مس استفاده شد و بررسی میزان استفاده از آلومینیوم و نیکل منتهی به ساخت کاتالیست fe-al-ni با نسبت وزنی 10fe/al= و 5fe/ni= با بیشترین تبدیل مونوکسید کربن از میان نسبت های مختلف نیکل و آلومینیوم گردید. این کاتالیست که دارای مساحت سطحی m2 g-1 4/177 و متوسط اندازه حفره nm4/4 بود، در طی مدت زمان بررسی 20 ساعت فعالیت پایداری را نمایش داد. اما مهمترین مشکل استفاده از ارتقادهنده نیکل، نقش مثبت آن در تولید محصول جانبی متان از طریق واکنش متاناسیون بود. بنابراین در ادامه از دو دسته فلزات قلیایی (na, li, k و cs) و نیز فلزات قلیایی خاکی (ba, ca, sr و mg) استفاده شد. از نتایج بدست آمده چنین دریافت شدکه افزودن تنها 3% وزنی اکسید باریم و 3% وزنی اکسید سدیم به کاتالیست fe-al-ni تاثیر بسیار مثبتی بر کاهش فرایند متاناسیون و در نتیجه تشکیل متان و نیز بهبود فعالیت انتقال آب- گاز از طریق افزودن بر خاصیت بازی کاتالیست دارد. همچنین بررسی پایداری بلند مدت این کاتالیست ها نشان دهنده پایدار بودن فعالیت این کاتالیست ها در طی مدت زمان بررسی 50 ساعت بود.