دفاعیه دکترا در دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز

مهندس صبا کاظمی دانشجوی دوره دکتری مهندسی شیمی، به صورت حضوری در ساعت ۱۳:۳۰  روز چهارشنبه ۵ مهر ماه ۱۴۰۲، کلاس ۱۳۰ در دانشکده مهندسی شیمی، از رساله خود با عنوان "  ساخت و ارزیابی کاتالیست¬های نانوساختار نیکل بر پایه ترکیبات اسپینلی به منظور تولید هیدروژن عاری از COx در فرایند تجزیه ترموکاتالیستی متان " با راهنمایی آقایان دکتر مهدی علوی و دکتر مهران رضایی دفاع خواهد نمود.

تجزیه ترموکاتالیستی متان یک فناوری کارآمد به منظور تولید هیدروژن با خلوص بالا و عاری از اکسیدهای کربن‌ است. در این فرایند از کاتالیست‌های مختلف فلزات واسطه و فلزات نجیب استفاده می‌شود. متداول‌ترین کاتالیست مورد استفاده در این فرایند، ترکیبات مبتنی بر نیکل است که فعالیت مناسبی را دارا هستند ولی طول عمر نسبتاً کوتاهی دارند. در این مطالعه، هدف توسعه فرمولاسیون کاتالیستی بر مبنای نیکل است که دارای فعالیت و پایداری مناسب در فرایند تجزیه متان باشد. در بخش نخست این پژوهش، ترکیبات اسپینلی شامل آلومینات‌های منیزیم، کلسیم، باریم، استرانسیوم، آهن و روی با استفاده از روش مکانیکی – شیمیایی تهیه و به عنوان پایه کاتالیست نیکل با محتوای ۴۰% وزنی NiO مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج بدست آمده نشان دادند که کاتالیست پایه‌دار شده نیکل بر پایه FeAl۲O۴، پایدارترین کاتالیست در میان نمونه‌های مورد بررسی قرار گرفت. میزان افت تبدیل متان در دمای ℃ ۵۷۵ در حدود ۲۱% در مدت ۳۰۰ دقیقه از واکنش بوده و این در حالی است که سایر نمونه‌ها در طول آنالیز پایداری به صورت کامل غیرفعال شدند که به دلیل رسوب و رشد نانوفیبرهای کربنی است که پوشاننده مکان‌های فعال کاتالیست است. در بخش دوم این مطالعه، به بررسی اثر مقادیر مختلف اکسید نیکل (۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ و ۶۰ درصد وزنی) بر پایه FeAl۲O۴ بر روی خصوصیات ساختاری و راندمان کاتالیستی در فرایند تجزیه متان پرداخته شد. نتایج بدست آمده نشان دادند که سطح ویژه کاتالیست‌های کلسینه شده از m۲.g-۱ ۶۲ تا ۲۶ با افزایش بارگذاری اکسید نیکل از ۲۰ تا ۶۰% وزنی کاهش یافتند که ناشی از انسداد حفرات پایه FeAl۲O۴ بود. علاوه بر این، نتایج آنالیز فعالیت نشان دادند که میزان فعالیت کاتالیست با افزایش محتوای NiO از ۲۰ تا ۵۰ درصد وزنی به سبب افزایش غلظت فاز فعال، افزایش یافت. میزان تبدیل متان در کاتالیست NiO(۵۰)/FeAl۲O۴ در دمای ℃۶۰۰ به ۴۰% رسید. این در حالی است که افزایش بیشتر محتوای نیکل تا ۶۰% وزنی منجر به کاهش راندمان کاتالیستی به سبب کاهش میزان پراکندگی نیکل گردید. بخش سوم این مطالعه به بررسی تأثیر افزودن ۱۰% وزنی از ارتقادهنده‌های مختلف شامل اکسیدهای Cu, Cr, Co, Zn, Mn به کاتالیست NiO(۵۰)/FeAl۲O۴ اختصاص دارد. نتایج نشان دادند که کاتالیست شامل اکسید منگنز دارای بیشترین سطح ویژه (m۲.g-۱ ۴۷) و کمترین اندازه ذره (nm ۶/۱۰) در میان نمونه‌های ارتقاداده شده است. همچنین، نتایج نشان دادند که کاتالیست MnO۲(۱۰)-NiO(۵۰)/FeAl۲O۴، فعال‌ترین و پایدارترین کاتالیست در فرایند تجزیه متان بوده است. میزان تبدیل متان و بازده هیدروژن در دمای ℃ ۷۰۰، بر روی این کاتالیست به ترتیب برابر ۳/۶۲ و ۶۶ درصد بوده است. همچنین، میزان افت فعالیت در حدود ۳% در طول ۳۰۰ دقیقه از واکنش بود. علاوه بر این، نتایج نشان دادند که راندمان کاتالیستی و نرخ تشکیل کربن با افزایش محتوای MnO۲ از ۵ تا ۱۰% وزنی افزایش یافته است. این در حالی است که مقدار بالای کربن رسوب کرده و کاهش میزان پراکندگی منجر به کاهش راندمان کاتالیستی با افزایش محتوای MnO۲ از ۱۰ تا ۱۵% وزنی گردید. بخش انتهایی این پژوهش به طراحی و بهینه‌سازی شرایط تهیه کاتالیست NiO(۵۰)/FeAl۲O۴ در فرایند تجزیه متان اختصاص دارد. پودرهای مزوحفره FeAl۲O۴ با روش‌های مختلف در این قسمت تهیه و به عنوان پایه کاتالیست نیکل در فرایند تجزیه متان مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج بدست آمده نشان دادند که کاتالیست تهیه شده با روش هم‌رسوبی اصلاح شده دارای بهترین راندمان بوده و میزان تبدیل متان و بازده هیدروژن در دمای ℃ ۶۷۵ به ترتیب برابر ۷۴ و ۸۲% بوده است. به منظور بررسی و بهینه‌سازی پارامترهای سنتز شامل نوع ماده فعال سطحی (CTAB, PVP, P۱۲۳)، مقدار pH (۹، ۱۰، ۱۱)، دمای پیرسازی (℃ ۴۰، ۶۰، ۸۰) و زمان پیرسازی (hr ۰، ۱۵، ۳۰) از روش طراحی آزمایش تاگوچی L۹ استفاده گردید. نتایج بدست آمده نشان دادند که نمونه بهینه دارای ساختاری مزوحفره با سطح ویژه m۲.g-۱ ۷۳ و حجم حفره cm۳.g-۱ ۱۷/۰ است و بیشینه میزان تبدیل متان بر روی این کاتالیست در دمای ℃ ۷۰۰ برابر ۸/۸۰ درصد بوده است. همچنین نتایج نشان دادند که روش طراحی تاگوچی یک روش کارآمد به منظور بهینه‌سازی پارامترهای سنتز است و میزان خطا بین مقدار پیش‌بینی شده و تجربی کمتر از ۴% بوده است. در انتها، به بررسی عملکرد این کاتالیست در سیستم راکتوری بستر پلاسما پرداخته شد که مشخص گردید حضور یک میدان الکتریکی می‌تواند درصد تبدیل متان را به میزان ۱۲ درصد افزایش دهد. 
کلمات کلیدی: 
تجزیه ترموکاتالیستی متان؛ کاتالیست‌های نیکل؛ تشکیل کربن؛ غیرفعال شدن کاتالیست؛ ارتقادهنده‌های فلزات واسطه؛ طراحی آزمایش به روش تاگوچی؛ بستر پلاسما