مهندسان شیمی دانشگاه صنعتی سهند تبریز موفق به ساخت نانوکاتالیستی شده‌اند که قابلیت کاربرد در فرآیندهای تامین‌کننده خوراک واحدهای پتروشیمی را داراست. این نانوکاتالیست از پایداری و بازده بالایی برخوردار بوده و سبب کاهش هزینه‌های تولید محصول و تامین انرژی خواهد شد.
تبریز: ساخت نانوکاتالیست پایدار در فرایندهای پتروشیمی
با توجه به سهم قابل توجه ایران از منابع گاز جهان و مزایای زیست محیطی گاز طبیعی، سرمایه‌گذاری و برنامه‌ریزی در این خصوص می‌تواند از اولویت‌های اقتصادی کشور باشد. لذا، بررسی روش‌های مختلف تبدیل گاز طبیعی (عمدتاً متان) به محصولات ارزشمندتر، دارای اهمیت خاصی است. یکی از این فرایندها، ریفورمینگ خشک متان است، که در سال‌های اخیر مورد توجه خاصی قرار گرفته است. این فرایند، گازهای گلخانه‌ای متان و دی‌اکسیدکربن را به خوراک اصلی فرآیندهای پتروشیمی (H2 و CO) با نسبت H2 به CO تقریباً واحد تبدیل می‌نماید.
در این مطالعه که در مرکز تحقیقات راکتور و کاتالیست دانشگاه صنعتی سهند تبریز انجام گرفته است، نانوکاتالیست‌های
Ni-Co/Al2O3-MgO-ZrO2 با درصدهای متفاوت از MgO به روش سل-ژل تولید شده و خواص ساختاری و عملکرد کاتالیستی آن‌ها با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته است.
به گفته مهندس سید مهدی سجادی، کارشناس ارشد مهندسی شیمی از دانشگاه صنعتی سهند تبریز،کاتالیست ساخته شده به دلیل استفاده از تقویت‌کننده‌های مناسب و بهینه و روش تولید مطلوب، دارای طول عمر بیشتر توأم با درصد تبدیل بالاتری است. همچنین در این کار مطالعاتی، تولید گاز سنتز با نسبت H2 به CO واحد، در دمای ۷۵۰ درجه سانتی گراد برآورده شده است، که نسبت به کاتالیست‌های متداول، در دمایی تقریباً به اندازه ۱۰۰ درجه، کمتر قابل دستیابی است. این نسبت در تولید محصولات پتروشیمی، همچون هیدروکربن‌های مایع، تولید آمونیاک و تولید مشتقات اکسیژنی دارای اهمیت بسیاری است. به عبارتی، افزایش طول عمر کاتالیست و دستیابی به خوراک با نسبت مطلوب در دمای پایین‌تر، منجر به کاهش هزینه تولید به دلیل کم شدن کاتالیست مصرفی و نیز کاهش هزینه‌های تامین انرژی خواهد شد.
سجادی در ادامه افزود: «در میان کاتالیست‌های مورد بررسی برای فرایند ریفورمینگ خشک متان، کاتالیست‌هایی با فاز فعال نیکل، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه بوده و از فعالیت خوبی برخوردارند؛ اما با گذشت زمان بر اثر رسوب ترکیبات کربن‌دار، سریعاً غیر فعال می‌شوند. برای بهبود پایداری و فعالیت کاتالیستی، می‌توان از سه روش تقویت فاز فعال، تقویت پایه کاتالیست و همچنین بهره‌گیری از روش‌های تولید مناسب‌تر استفاده کرد. در این کار مطالعاتی، به طور هم‌زمان از تأثیر هر سه عامل استفاده شده است؛یعنی از تقویت‌کننده کبالت برای تقویت فاز فعال نیکل و از تقویت‌کننده‌های MgO و ZrO2 برای تقویت پایه آلومینا بهره گرفته شده و همچنین از روش سنتز سل-ژل، که روشی مناسب و کارامد در تولید نانوکاتالیست‌ها به شمار می‌رود، استفاده شده است.»
از دیگر عوامل مؤثر بر فعالیت
کاتالیست‌ها، داشتن ذراتی با اندازه کوچک و توزیع یکنواخت است. هر چه قدر اندازه متوسط ذرات کوچک‌تر بوده و به مقدار بحرانی (تقریبا ۱۰nm) نزدیک‌تر باشد، رسوب ترکیبات کربن‌دار، که عامل اصلی غیر فعال شدن کاتالیست هستند، کاهش و زمان پایداری کاتالیست و بازده آن افزایش می‌یابد. در این تحقیق، اندازه ذرات در کاتالیستی با %۲۵ وزن MgO (نمونه بهینه) ۱۱/۶ نانومتر گزارش شده است که بسیار نزدیک به مقدار بحرانی است.
لازم به ذکر است، نانوکاتالیست تولید شده در این طرح، در طی ۲۴ ساعت فعالیت و پایداری مناسب و قابل قبولی از خود نشان داده است و در طی این مدت هیچ گونه کاهشی نداشته است. به منظور بررسی قابلیت تجاری شدن این محصول، نیاز است که مطالعات گسترده‌تری در بازه‌های زمانی طولانی‌تر و تحت شرایط نزدیک‌تر به شرایط واقعی، به طور مثال در حضور ترکیبات گوگرددار، صورت گیرد.
برای تعیین مشخصات این نانوکاتالیست از آزمون‌های XRD برای شناسایی فازها و تعیین مشخصات بلورینگی نانوکاتالیست‌ها، BET جهت اندازه‌گیری سطح مخصوص، FTIR به منظور شناسایی و تعیین گروهای عاملی موجود در ساختار نانوکاتالیست‌ها، FESEM برای مشاهده‌ی شکل و اندازه ذرات نانوکاتالیست و نهایتاً EDAX در بررسی وجود داشتن و نسبت عناصر سازنده نانوکاتالیست استفاده شده است. همچنین پایداری و فعالیت کاتالیستی، با استفاده از پایلوت فشار پایین مطالعه شده است. این پایلوت شامل یک راکتور لوله‌ای جهت انجام واکنش، کوره الکتریکی برای تأمین دمای مورد نیاز، دستگاه کالیبراسیون به منظور کنترل و اندازه‌گیری دبی جریان‌های گازی و دستگاه کروماتوگرافی گازی (GC) جهت آنالیز محصولات خروجی از راکتور بود.
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر محمد حقیقی، عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی سهند تبریز، مهندس سید مهدی سجادی و مهندس فرهاد رحمانی است و در مجله Journal of Sol-Gel Science and Technology ( جلد ۷۰، شماره ۱، ماه آوریل، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۱۱ تا ۱۲۴) به چاپ رسیده است.
در این مطالعه که در مرکز تحقیقات راکتور و کاتالیست دانشگاه صنعتی سهند تبریز انجام گرفته است، نانوکاتالیست‌های
Ni-Co/Al2O3-MgO-ZrO2 با درصدهای متفاوت از MgO به روش سل-ژل تولید شده و خواص ساختاری و عملکرد کاتالیستی آن‌ها با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته است.
به گفته مهندس سید مهدی سجادی، کارشناس ارشد مهندسی شیمی از دانشگاه صنعتی سهند تبریز،کاتالیست ساخته شده به دلیل استفاده از تقویت‌کننده‌های مناسب و بهینه و روش تولید مطلوب، دارای طول عمر بیشتر توأم با درصد تبدیل بالاتری است. همچنین در این کار مطالعاتی، تولید گاز سنتز با نسبت H2 به CO واحد، در دمای ۷۵۰ درجه سانتی گراد برآورده شده است، که نسبت به کاتالیست‌های متداول، در دمایی تقریباً به اندازه ۱۰۰ درجه، کمتر قابل دستیابی است. این نسبت در تولید محصولات پتروشیمی، همچون هیدروکربن‌های مایع، تولید آمونیاک و تولید مشتقات اکسیژنی دارای اهمیت بسیاری است. به عبارتی، افزایش طول عمر کاتالیست و دستیابی به خوراک با نسبت مطلوب در دمای پایین‌تر، منجر به کاهش هزینه تولید به دلیل کم شدن کاتالیست مصرفی و نیز کاهش هزینه‌های تامین انرژی خواهد شد.
سجادی در ادامه افزود: «در میان کاتالیست‌های مورد بررسی برای فرایند ریفورمینگ خشک متان، کاتالیست‌هایی با فاز فعال نیکل، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه بوده و از فعالیت خوبی برخوردارند؛ اما با گذشت زمان بر اثر رسوب ترکیبات کربن‌دار، سریعاً غیر فعال می‌شوند. برای بهبود پایداری و فعالیت کاتالیستی، می‌توان از سه روش تقویت فاز فعال، تقویت پایه کاتالیست و همچنین بهره‌گیری از روش‌های تولید مناسب‌تر استفاده کرد. در این کار مطالعاتی، به طور هم‌زمان از تأثیر هر سه عامل استفاده شده است؛یعنی از تقویت‌کننده کبالت برای تقویت فاز فعال نیکل و از تقویت‌کننده‌های MgO و ZrO2 برای تقویت پایه آلومینا بهره گرفته شده و همچنین از روش سنتز سل-ژل، که روشی مناسب و کارامد در تولید نانوکاتالیست‌ها به شمار می‌رود، استفاده شده است.»
از دیگر عوامل مؤثر بر فعالیت
کاتالیست‌ها، داشتن ذراتی با اندازه کوچک و توزیع یکنواخت است. هر چه قدر اندازه متوسط ذرات کوچک‌تر بوده و به مقدار بحرانی (تقریبا ۱۰nm) نزدیک‌تر باشد، رسوب ترکیبات کربن‌دار، که عامل اصلی غیر فعال شدن کاتالیست هستند، کاهش و زمان پایداری کاتالیست و بازده آن افزایش می‌یابد. در این تحقیق، اندازه ذرات در کاتالیستی با %۲۵ وزن MgO (نمونه بهینه) ۱۱/۶ نانومتر گزارش شده است که بسیار نزدیک به مقدار بحرانی است.
لازم به ذکر است، نانوکاتالیست تولید شده در این طرح، در طی ۲۴ ساعت فعالیت و پایداری مناسب و قابل قبولی از خود نشان داده است و در طی این مدت هیچ گونه کاهشی نداشته است. به منظور بررسی قابلیت تجاری شدن این محصول، نیاز است که مطالعات گسترده‌تری در بازه‌های زمانی طولانی‌تر و تحت شرایط نزدیک‌تر به شرایط واقعی، به طور مثال در حضور ترکیبات گوگرددار، صورت گیرد.
برای تعیین مشخصات این نانوکاتالیست از آزمون‌های XRD برای شناسایی فازها و تعیین مشخصات بلورینگی نانوکاتالیست‌ها، BET جهت اندازه‌گیری سطح مخصوص، FTIR به منظور شناسایی و تعیین گروهای عاملی موجود در ساختار نانوکاتالیست‌ها، FESEM برای مشاهده‌ی شکل و اندازه ذرات نانوکاتالیست و نهایتاً EDAX در بررسی وجود داشتن و نسبت عناصر سازنده نانوکاتالیست استفاده شده است. همچنین پایداری و فعالیت کاتالیستی، با استفاده از پایلوت فشار پایین مطالعه شده است. این پایلوت شامل یک راکتور لوله‌ای جهت انجام واکنش، کوره الکتریکی برای تأمین دمای مورد نیاز، دستگاه کالیبراسیون به منظور کنترل و اندازه‌گیری دبی جریان‌های گازی و دستگاه کروماتوگرافی گازی (GC) جهت آنالیز محصولات خروجی از راکتور بود.
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر محمد حقیقی، عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی سهند تبریز، مهندس سید مهدی سجادی و مهندس فرهاد رحمانی است و در مجله Journal of Sol-Gel Science and Technology ( جلد ۷۰، شماره ۱، ماه آوریل، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۱۱ تا ۱۲۴) به چاپ رسیده است.
