دفاعیه دکترا در دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز

مهندس فواد مهری، دانشجوی دوره دکتری مهندسی‌شیمی، یکشنبه سوم آذرماه 1398، از رساله خود با عنوان «بررسی آزمایشگاهی هیدروژناسیون الکتروکاتالیستی ترکیبات تیوفنی در سوخت مدل با استفاده راکتور الکتروشیمیایی غشایی »  با راهنمایی دکتر سوسن روشن‌ضمیر دفاع خواهد نمود.

چکیده

گوگرد یکی از عمده‌ترین آلوده کننده‌های فرآورد‌ه‌های نفتی می‌باشد که نه تنها موجب مشکلات محیط زیستی می‌شود بلکه موجب کاهش عمر کاتالیست‌ها و تجهیزات صنعتی نیز می‌گردد. بنابراین حذف ترکیبات گوگردی موجود در سوخت‌های هیدروکربنی از لحاظ زیست محیطی مهم است. برای حذف ترکیبات تیوفنی که به روش گوگردزدایی هیدروژنی به سختی قابل حذف هستند، از فناوری‌های جدید دیگری به عنوان روش‌های مکمل یا جایگزین فرآیند گوگردزدایی هیدروژنی استفاده شود. یکی از این روش‌های نوین، روش حذف الکتروشیمیایی ترکیبات گوگردی به ویژه ترکیبات تیوفنی می‌باشد که از مزایای زیادی نظیر شرایط عملیاتی ملایم (دما و فشار پایین)، کنترل سرعت واکنش، انتخاب‌پذیری و قابلیت حذف ترکیبات گوگردی سخت مانند تیوفن‌ها برخوردار است.

لذا در این پژوهش ابتدا گوگردزدایی الکتروشیمیایی کاهشی بنزوتیوفن به روش مشابه دینامیکی (جذب-کاهش) بر روی الکترود پلاتین مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله بعدی پژوهش، عملکرد اکسایش تیوفن بر روی الکترودهای مختلفی مانند پلاتین، کربن الماسه دوپ شده با کربن، اکسیدهای ایریدیوم-روتنیوم، سرب/اکسید سرب و گرافیت در الکترولیت اسیدی تحت پتانسیل‌های اعمال شده مختلف ارزیابی شد. در مرحله سوم پژوهش، گوگردزدایی سوخت مدل حاوی تیوفن و بنزوتیوفن با غلظت mg L-1 2000 در نرمال دکان یا هگزادکان توسط الکتروکاتالیست تجاری پلاتین/کربن در راکتور الکتروشیمیایی جداشده با امولسیون سوخت و الکترولیت آبی و در مرحله چهارم نیز علاوه بر بررسی عملکرد الکتروکاتالیست پلاتین/کربن، الکتروکاتالیست مولیبدن دی‌سولفید نیز به روش هیدروترمال سنتز شد و با استفاده از ارزیابی‍های پراش اشعه ایکس، عکس برداری الکترونی و ﻃﯿﻒ ﺳﻨﺠﯽ ﭘﺮاﮐﻨﺪﮔﯽ اﻧﺮژی ﭘﺮﺗﻮ ایﮑﺲ، ساختار نانورشته های در هم تنیده مولیبدن دی‍سولفید تایید شد. نهایتا گوگردزدایی از ترکیبات تیوفن و بنزوتیوفن در راکتور الکتروشیمیایی غشایی با استفاده از مجموعه الکتروکاتالیست-غشا مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. همچنین ارزیابی‌های الکتروشیمیایی مانند ولتامتری چرخه‌ای، و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و غیره نیز برای الکترود/الکتروکاتالیست‌ها و مجموعه الکتروکاتالیست-غشا نیز انجام شد. گوگردزدایی الکتروشیمیایی کاهشی بنزوتیوفن با اعمال پتانسیل جذب-احیای بنزوتیوفن بر روی الکترود پلاتین منجر به بازده گوگردزدایی 2/48% طی 8 ساعت شد. در اکسایش تیوفن، بازدهی گوگردزدایی بر روی الکترودهای پلاتین و اکسیدهای ایریدیوم-روتنیوم به ترتیب به حداکثر مقدار 92% و 98% و بازدهی جریان مربوط به آن‌ها نیز به ترتیب 48% و 29% در پتانسیل V 5/2 طی 3 ساعت رسید. به علاوه، در گوگردزدایی سوخت مدل توسط الکتروکاتالیست پلاتین/کربن در الکترولیت بازی سدیم هیدروکسید با حداکثر 97% حذف گوگرد و بازدهی جریان 78% در پتانسیل V 75/0 به اثبات رسید. بهترین عملکرد مربوط به الکتروکاتالیست پلاتین/کربن- غشای نفیون با حداکثر بازدهی گوگردزدایی 85% در mA cm-2 20 برای تیوفن و 71% در mA cm-2 50 برای بنزوتیوفن تعیین شد. گوگردزدایی با استفاده از مولیبدن دی‌سولفید-غشای نفیون نیز به درصد حذف تیوفن و بنزوتیوفن به ترتیب 6/79% در mA cm-2 20 و 60% در mA cm-2 70 منجر شد. با توجه به سه نوع راکتور الکتروشیمیایی متفاوت استفاده شده، راکتور الکتروشیمیایی غشایی با استفاده از مجموعه الکتروکاتالیست-غشا با بازدهی گوگردزدایی تیوفن و بنزوتیوفن به ترتیب 85% در mA cm-2 20 و 70% در mA cm-2 50 بهترین عملکرد را داشت. درصد هیدروژناسیون به عنوان یک واکنش نامطلوب نیز 12% بدست آمد که در مقایسه با راکتور جدانشده و جداشده دارای مقدار کمتری است. علاوه بر این سهولت فرایند و عدم نیاز به امولسیون‌سازی سوخت و همچنین وجود واکنش جانبی نامطلوب نیز از مزایای منحصر به فرد راکتور الکتروشیمیایی غشایی است. اگرچه غشای Nafion و الکتروکاتالیست Pt/C هم بهترین عملکرد را در گوگردزدایی داشتند، اما غشای SPEEK و الکتروکاتالیست MoS2 نیز به علت قیمت کمتر و بازدهی گوگردزدایی تقریبا مشابه در راکتور الکتروشیمیایی غشایی مربوطه می توانند جایگزین خوبی به عنوان مجموعه الکتروکاتالیست-غشا محسوب شوند. نتایج تحقیق کاربردی بودن استفاده از راکتور الکتروشیمیایی غشایی در گوگردزدایی از سوخت مدل را با استفاده از الکتروکاتالیست‌های پلاتین/کربن و مولیبدن دی‌سولفید را به خوبی اثبات کرد.

واژه‌های کلیدی: گوگردزدایی الکتروشیمیایی، مجموعه الکترود-غشا، الکتروکاتالیست، سوخت مدل، ترکیبات تیوفنی، هیدروژناسیون