Luận văn: Nghiên cứu sản xuất Hydro từ xăng bằng xúc tác Cu-Ni/Al2O3

Luận văn nghiên cứu sản xuất hydro từ xăng qua phản ứng nhiệt hóa. Đánh giá hiệu quả và hoạt tính của hệ xúc tác Cu-Ni/Al2O3 ứng dụng cho động cơ.

• Tác giả: Bùi Xuân Trường
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Đăng Quốc
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Động Cơ Đốt Trong
• Đề tài: Hiệu quả xúc tác Cu-Ni/Al2O3 sản xuất Hydro từ xăng
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về xúc tác Cu Ni Al2O3 trong sản xuất Hydro

Xúc tác Cu-Ni/Al2O3 là một hệ thống xúc tác tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất hydrogen từ xăng. Hỗn hợp kim loại Copper (Cu) và Nickel (Ni) được phân tán trên nền alumina (Al2O3) tạo ra một bề mặt hoạt động cao với diện tích bề mặt lớn. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nhiên liệu xăng thành khí giàu hydro, cung cấp năng lượng sạch cho các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Những nghiên cứu gần đây chứng minh hiệu quả vượt trội của hệ xúc tác này so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Cấu trúc và đặc tính vật lý của xúc tác Cu Ni Al2O3

Cấu trúc của xúc tác Cu-Ni/Al2O3 được phân tích thông qua các phương pháp XRD (X-ray Diffraction) và SEM (Scanning Electron Microscopy). Nền Al2O3 cung cấp độ bền cơ học tốt và diện tích bề mặt lớn. Cu và Ni tạo thành các hạt kim loại phân tán đều, tăng khả năng chuyển hóa nhiên liệu. Diện tích bề mặt riêng được đo bằng phương pháp BET, cho thấy giá trị cao giúp tối ưu hóa hoạt động xúc tác.

1.2. Vai trò của Copper và Nickel trong phản ứng hydro hóa

Nickel (Ni) là thành phần chính chịu trách nhiệm cho khả năng khử và phân tách hydrocarbon. Copper (Cu) cải thiện độ bền của xúc tác và ngăn chặn sự luyện carbon, từ đó kéo dài tuổi thọ xúc tác. Sự kết hợp giữa Cu và Ni tạo ra một hệ thống synergy mạnh mẽ, nâng cao hiệu quả chuyển đổi nhiên liệu xăng và cải thiện phân bổ sản phẩm khí.

II. Phương pháp thực nghiệm và đánh giá hiệu quả xúc tác

Để đánh giá hiệu quả xúc tác Cu-Ni/Al2O3, các nhà nghiên cứu sử dụng một hệ thống thực nghiệm toàn diện bao gồm bộ hóa hơi nhiên liệu, buồng phản ứng, bộ ngưng tụ và bộ phân tích khí GC (Gas Chromatography). Tỷ lệ S/C (Steam/Carbon), nhiệt độ phản ứng và lưu lượng không khí là các thông số quan trọng được kiểm soát. Hiệu quả chuyển đổi nhiên liệu và hoạt tính xúc tác được tính toán dựa trên thành phần khí (H2, CO, CO2, CH4). Các kết quả thực nghiệm cho thấy xúc tác Cu-Ni/Al2O3 đạt hiệu quả tối ưu ở nhiệt độ 550-600°C.

2.1. Quy trình điều chế xúc tác Cu Ni Al2O3

Xúc tác Cu-Ni/Al2O3 được điều chế thông qua phương pháp ngâm dung dịch muối trên nền Al2O3. Quá trình bao gồm: thấm dung dịch muối chứa Ni và Cu lên vật liệu mang, làm khô mẫu ở nhiệt độ thích hợp, sau đó nhiệt phân để loại bỏ các nhóm chức năng không mong muốn. Tỷ lệ khối lượng Cu:Ni được điều chỉnh từ 18:0 đến 0:18 wt% để tìm tỷ lệ tối ưu, đạt hiệu quả cao nhất.

2.2. Các kỹ thuật phân tích đặc tính xúc tác

Phương pháp BET xác định diện tích bề mặt riêng của xúc tác. XRD (tia X) phân tích cấu trúc tinh thể và xác định các pha kim loại. SEM (kính hiển vi điện tử) quan sát hình dạng và kích thước hạt kim loại. Phương pháp EDS xác định thành phần nguyên tố. Kết hợp các kỹ thuật này giúp hiểu rõ mối liên hệ giữa cấu trúc vật liệu và hiệu quả phản ứng.

III. Kết quả thực nghiệm và hiệu quả phản ứng

Kết quả XRD của hệ xúc tác Cu-Ni/Al2O3 cho thấy sự tạo thành các pha kim loại Ni và Cu với kích thước hạt nhỏ. Phân tích SEM chứng minh rằng các hạt Cu và Ni phân tán đều trên nền Al2O3 với diện tích bề mặt khoảng 100-150 m²/g. Hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu đạt 80-90% ở điều kiện tối ưu. Khí sản phẩm chứa H2 cao (40-50%), CO khoảng 15-20%, và CO2 khoảng 10-15%, phù hợp với tiêu chuẩn sử dụng. Hoạt tính xúc tác vẫn ổn định sau 100 giờ hoạt động, chứng tỏ độ bền tốt.

3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ S C và lưu lượng đến hiệu quả phản ứng

Tỷ lệ S/C (Steam/Carbon) là yếu tố quyết định hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu. Khi tỷ lệ S/C tăng từ 2 lên 4, hiệu quả chuyển hóa tăng từ 75% lên 88%. Tuy nhiên, tỷ lệ quá cao làm tăng chi phí. Lưu lượng không khí cũng ảnh hưởng lớn - lưu lượng tối ưu là 4 h⁻¹ để đạt cân bằng giữa chuyển hóa nhiên liệu và phân bố sản phẩm khí.

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả và thành phần khí sản phẩm

Nhiệt độ phản ứng là thông số quan trọng nhất. Ở 550°C, hiệu quả đạt ~85% với H2 production cao. Khi tăng nhiệt độ lên 600°C, hiệu quả tăng đến 90% nhưng sản lượng H2 bắt đầu giảm do phản ứng phân hủy hydro thành C. Ở 650°C trở lên, hiệu quả chuyển hóa giảm do luyện carbon tăng, làm giảm tuổi thọ xúc tác. Nhiệt độ tối ưu là 550-600°C.

IV. So sánh với các xúc tác khác và hướng phát triển

Xúc tác Cu-Ni/Al2O3 cho thấy hiệu quả vượt trội so với các hệ xúc tác truyền thống như Ni/Al2O3 đơn kim loại hay Ni-Ce/Al2O3. Hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu của Cu-Ni/Al2O3 cao hơn 5-10% so với Ni đơn độc. Độ bền xúc tác cũng tốt hơn nhờ vai trò của Cu trong việc ngăn chặn luyện carbon. So với các xúc tác quý như Pt hay Pd, Cu-Ni/Al2O3 có chi phí thấp hơn đáng kể. Hướng phát triển tương lai bao gồm tối ưu hóa tỷ lệ Cu:Ni, nghiên cứu các nền xúc tác thay thế như CeO2 hoặc TiO2, và ứng dụng vào công nghệ pin nhiên liệu hydrogen.

4.1. Ưu điểm và nhược điểm của xúc tác Cu Ni Al2O3

Ưu điểm: Hiệu quả chuyển hóa cao (80-90%); độ bền tốt (>100 giờ); chi phí thấp so với xúc tác quý; khả năng chống luyện carbon. Nhược điểm: Hoạt tính có thể giảm nếu không kiểm soát tốt điều kiện phản ứng; yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ (550-600°C); tạo ra một số phụ phẩm như CH4 và CO2.

4.2. Triển vọng ứng dụng và nghiên cứu tiếp theo

Xúc tác Cu-Ni/Al2O3 có tiềm năng lớn trong công nghệ sản xuất hydrogen sạch. Ứng dụng chính bao gồm xe fuel cell hydrogen, hệ thống điện phân hydrogen, và công nghiệp hóa chất. Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc xúc tác, phát triển xúc tác composite mới, và thử nghiệm với các loại nhiên liệu khác như ethanol, methanol để mở rộng ứng dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí từ khí xả phương tiện giao thông đường bộ đang là thách thức môi trường cấp bách, trong đó các khí độc hại như CO, hydrocarbon chưa cháy và NOx chiếm hơn 70% tổng lượng phát thải đô thị. Việc bổ sung khí giàu hydro vào buồng cháy động cơ đốt trong là giải pháp đột phá giúp tăng hiệu suất nhiệt thêm 10% đến 15% và giảm đáng kể lượng phát thải độc hại. Tuy nhiên, việc tồn chứa hydro áp suất cao trên phương tiện luôn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn và đòi hỏi chi phí hạ tầng đắt đỏ. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, hướng tiếp cận chuyển đổi trực tiếp nhiên liệu lỏng truyền thống thành khí giàu hydro ngay trên phương tiện đang được tập trung phát triển.

Nghiên cứu này đặt mục tiêu tổng hợp, đặc trưng hóa cấu trúc vi mô và đánh giá thực nghiệm hiệu quả chuyển hóa tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xăng và iso-octan bằng phản ứng reforming với hơi nước trên hệ xúc tác lưỡng kim Cu-Ni mang trên nền gamma oxit nhôm. Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Động cơ Đốt trong, Viện Cơ khí Động lực thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 10 năm 2013. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi đạt tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu vượt trên 90%, giảm 20% đến 30% lượng phát thải độc hại so với động cơ nguyên bản. Nghiên cứu cung cấp giải pháp vật liệu xúc tác nội địa hóa với giá thành cạnh tranh, mở ra hướng đi mới cho công nghệ giao thông xanh tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết xúc tác dị thể và động học phản ứng hóa học pha khí trên bề mặt chất rắn. Phản ứng chủ đạo là quá trình nhiệt hóa reforming hydrocacbon với hơi nước, tiêu biểu với nhiên liệu chuẩn iso-octan phản ứng cùng hơi nước tạo thành hỗn hợp khí tổng hợp gồm hydro và cacbon monoxit. Đi kèm với đó là phản ứng chuyển dịch khí than nước biến đổi CO và hơi nước thành CO2 và hydro bổ sung.

Mô hình nghiên cứu khai thác cơ chế tác động tương hỗ lưỡng kim giữa Niken và Đồng. Niken giữ vai trò hoạt hóa liên kết C-C và C-H với hoạt tính xúc tác mạnh mẽ nhưng dễ bị ngộ độc bởi sự tích tụ muội cacbon. Trong khi đó, Đồng có tác dụng phân tán các tâm hoạt tính của Niken, thúc đẩy phản ứng chuyển dịch khí than ở nhiệt độ thấp và ngăn chặn sự tạo thành sợi cacbon trên bề mặt chất mang.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: tỷ lệ hơi nước trên cacbon, vận tốc không gian thể tích và trọng lượng tính bằng nghịch đảo giờ, diện tích bề mặt riêng BET, độ phân tán tinh thể kim loại, tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu và độ chọn lọc nồng độ hydro trong dòng khí sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ quá trình thực nghiệm chế tạo và khảo sát hơn 12 mẫu vật liệu xúc tác đơn kim và lưỡng kim với các hàm lượng kim loại biến thiên từ 6 wt%, 18 wt% đến 30 wt% trên chất mang gamma oxit nhôm. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ quy trình quy hoạch thực nghiệm có hệ thống, cố định nồng độ tổng tải lượng kim loại tối ưu ở mức 18 wt% và biến thiên tỷ lệ khối lượng Cu:Ni nhằm so sánh đối chứng chuẩn xác với các mẫu đơn kim 18 wt% Ni và 18 wt% Cu.

Quy trình tổng hợp vật liệu sử dụng phương pháp tẩm ướt từ dung dịch muối nitrat niken và muối nitrat đồng lên bột oxit nhôm xốp. Mẫu sau khi tẩm được sấy khô ở 110°C trong 12 giờ, sau đó nhiệt phân và nung ở nhiệt độ từ 500°C đến 600°C trong môi trường không khí.

Hệ thống thiết bị phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm giải thích thấu đáo mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính:

• Máy phân tích hấp phụ đẳng nhiệt Micromeritics TriStar II Plus xác định diện tích bề mặt riêng BET và phân bố kích thước mao quản.
• Thiết bị nhiễu xạ tia X Bruker D8 Advance nhận diện pha tinh thể và kích thước hạt nano kim loại.
• Kính hiển vi điện tử quét SEM kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X EDS quan sát hình thái vi cấu trúc và độ đồng đều phân bố nguyên tố.
• Hệ thống phản ứng dòng liên tục tích hợp máy sắc ký khí Trace GC Thermo với đầu dò dẫn nhiệt TCD để định lượng chính xác các khí H2, CO, CO2, CH4 và N2. Toàn bộ chuỗi thực nghiệm được tiến hành liên tục trong giai đoạn từ đầu năm 2013 đến tháng 10 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, cấu trúc hình thái và diện tích bề mặt riêng của vật liệu xúc tác đạt độ hoàn thiện cao. Kết quả phân tích BET chỉ ra chất mang gamma oxit nhôm nguyên bản có diện tích bề mặt xấp xỉ 180 m2/g. Sau khi tẩm hệ kim loại 18 wt% Cu-Ni, diện tích bề mặt riêng duy trì ổn định ở mức 135 m2/g đến 142 m2/g. Hình ảnh SEM và phổ XRD khẳng định các tinh thể oxit đồng và oxit niken phân tán mịn màng trên nền chất mang với kích thước hạt trung bình dao động từ 15 nm đến 22 nm, không xuất hiện hiện tượng vón cục cục bộ.

Thứ hai, tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu của hệ xúc tác lưỡng kim vượt trội hoàn toàn so với xúc tác đơn kim. Tại nhiệt độ phản ứng 550°C, mẫu xúc tác 18 wt% Cu-Ni trên gamma oxit nhôm đạt độ chuyển hóa iso-octan lên tới 92,5%, cao hơn 18,3% so với mẫu đơn kim 18 wt% Cu trên gamma oxit nhôm (chỉ đạt 74,2%) và tương đương mẫu 18 wt% Ni trên gamma oxit nhôm (đạt 91,0%).

Thứ ba, nồng độ hydro trong hỗn hợp khí đầu ra đạt giá trị tối ưu ở điều kiện vận hành chuẩn. Khi duy trì tỷ lệ hơi nước trên cacbon ở mức 3,0 và nhiệt độ phản ứng 550°C, hàm lượng hydro sinh ra chiếm tỷ lệ từ 62% đến 68% thể tích dòng khí khô. Thành phần khí đi kèm bao gồm CO khoảng 15%, CO2 khoảng 18% và CH4 duy trì ở mức rất thấp dưới 3%.

Thứ tư, hệ xúc tác lưỡng kim Cu-Ni thể hiện độ bền nhiệt và tính ổn định làm việc xuất sắc. Trong thử nghiệm hoạt tính kéo dài 50 giờ liên tục ở nhiệt độ 550°C, mẫu 18 wt% Cu-Ni vẫn bảo toàn hơn 95% hoạt độ ban đầu. Ngược lại, mẫu xúc tác chỉ chứa Niken bị suy giảm hơn 25% hoạt tính chỉ sau 20 giờ vận hành do bề mặt bị bao phủ bởi muội than.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự vượt trội của hệ 18 wt% Cu-Ni là hiệu ứng tương hỗ điện tử và cấu trúc giữa hai kim loại. Niken đóng vai trò bẻ gãy mạch hydrocacbon xăng ở nhiệt độ trung bình từ 500°C đến 600°C. Đồng thời, sự hiện diện của Đồng làm biến đổi cấu trúc hình học bề mặt, phân tán các cụm Niken lớn thành các tâm hoạt tính đơn lẻ, qua đó ức chế hoàn toàn quá trình kết tụ mạng tinh thể cacbon dạng sợi. Hơn nữa, Đồng đóng vai trò xúc tác chủ đạo cho phản ứng chuyển dịch khí than nước, chuyển hóa CO độc hại thành hydro và CO2, giúp tăng sản lượng hydro thêm 12% so với khi chỉ dùng Niken.

So sánh với các công bố khoa học quốc tế về hệ xúc tác kim loại quý như Pd-Ni hay Ni-Re trên oxit nhôm có giá thành đắt đỏ gấp 15 đến 20 lần, hệ xúc tác Cu-Ni trong nghiên cứu này đạt hiệu suất chuyển hóa tương đương 90% đến 95% nhưng giúp cắt giảm hơn 80% chi phí nguyên liệu chế tạo.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua bảng đối chiếu thành phần các chất khí theo tỷ lệ tải lượng kim loại và đồ thị biến thiên hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu theo nhiệt độ từ 450°C đến 700°C. Biểu đồ đường thể hiện rõ điểm uốn tối ưu của phản ứng tại 550°C, nơi nồng độ H2 đạt đỉnh cực đại và lượng hydrocarbon dư thừa giảm về mức tiệm cận 0%.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa công nghệ chế tạo vật liệu bằng cách bổ sung các chất trợ xúc tác như CeO2 hoặc MgO với tỷ lệ 2 wt% đến 5 wt%. Giải pháp này nhằm mục tiêu nâng cao diện tích bề mặt riêng BET thêm 15% đến 20% và tăng cường khả năng kháng lưu huỳnh trong nhiên liệu thương mại, thực hiện trong vòng 6 đến 12 tháng bởi Viện Cơ khí Động lực phối hợp cùng các viện nghiên cứu vật liệu.

Thứ hai, thiết kế và gia công bộ phản ứng nhiệt hóa on-board dạng ống chùm nhỏ gọn có thể tích làm việc dưới 5 lít. Thiết bị cần tích hợp bộ trao đổi nhiệt để tận dụng từ 40% đến 50% nhiệt lượng khí thải động cơ nhằm duy trì buồng phản ứng ở mức 500°C đến 600°C mà không tiêu tốn năng lượng phụ trợ, triển khai trong 12 đến 18 tháng bởi các kỹ sư cơ khí động lực và các xưởng sản xuất thiết bị phụ trợ ô tô.

Thứ ba, xây dựng module điều khiển điện tử ECU chuyên dụng nhằm tự động định lượng tỷ lệ hơi nước trên cacbon trong khoảng 2,5 đến 3,5 theo thời gian thực. Hệ thống giúp thích ứng tức thời với các chế độ tải thay đổi của động cơ, duy trì tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu xăng ổn định trên 90%, hoàn thành trong thời gian 9 tháng dưới sự thực hiện của các nhóm kỹ sư điều khiển và tự động hóa.

Thứ tư, tiến hành thử nghiệm tích hợp toàn diện hệ thống tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng 4 kỳ dung tích 1,5 đến 2,0 lít trong điều kiện vận hành thực tế. Mục tiêu đặt ra là cắt giảm 25% suất tiêu hao nhiên liệu và giảm 35% lượng phát thải độc hại CO và hydrocarbon, hoàn thiện trong lộ trình 18 đến 24 tháng do các trung tâm đăng kiểm và các doanh nghiệp vận tải chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Động lực, Động cơ Đốt trong và Kỹ thuật Hóa học. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tổng hợp xúc tác, số liệu thực nghiệm chuẩn xác về diện tích BET, phổ XRD, ảnh SEM và mô hình động học reforming nhiên liệu phục vụ công tác giảng dạy và phát triển đề tài chuyên sâu.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư R&D trong các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô, xe máy. Tài liệu mang lại giải pháp công nghệ khả thi về cấu tạo bộ hóa hơi, van kim điều khiển lưu lượng và buồng phản ứng nhỏ gọn để tích hợp vào khoang động cơ phương tiện thế hệ mới.

Nhóm thứ ba là các nhà phát triển hệ thống năng lượng hydro và pin nhiên liệu Fuel Cell. Luận văn mang đến giải pháp cung cấp khí giàu hydro nồng độ trên 60% từ nguồn nhiên liệu lỏng sẵn có, loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào bình chứa hydro nén 700 bar đắt đỏ và nguy hiểm.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và tiêu chuẩn giao thông vận tải. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học thực chứng về tiềm năng cắt giảm phát thải khí nhà kính từ 20% đến 30%, hỗ trợ hoạch định chính sách chuyển đổi năng lượng sạch và xây dựng quy chuẩn khí thải quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ xúc tác lưỡng kim Cu-Ni lại vượt trội hơn xúc tác đơn kim Ni trong phản ứng tạo khí giàu hydro? Mặc dù Niken có hoạt tính phân tách liên kết hydrocarbon rất mạnh, bề mặt của nó nhanh chóng bị bao phủ bởi muội than, khiến hoạt tính suy giảm hơn 25% sau 20 giờ. Việc kết hợp Đồng giúp chia nhỏ các tâm hoạt tính Niken, loại bỏ nguy cơ tạo sợi cacbon và thúc đẩy phản ứng chuyển dịch khí than, giúp hệ xúc tác duy trì trên 95% độ bền sau 50 giờ làm việc liên tục.

Tỷ lệ hơi nước trên cacbon tối ưu trong nghiên cứu được xác định là bao nhiêu và có ý nghĩa gì? Tỷ lệ hơi nước trên cacbon tối ưu là 3,0 tại nhiệt độ làm việc 550°C. Ở thông số này, hiệu suất chuyển hóa iso-octan đạt đỉnh 92,5% và nồng độ hydro trong dòng khí đạt khoảng 65% thể tích. Nếu tỷ lệ này giảm xuống dưới 2,0, lượng muội than lắng đọng tăng nhanh gây tắc nghẽn, còn nếu vượt quá 4,0 sẽ gây lãng phí năng lượng hóa hơi nước dư thừa.

Quy trình điều chế vật liệu xúc tác Cu-Ni trên gamma oxit nhôm gồm những bước cơ bản nào? Vật liệu được tổng hợp qua phương pháp tẩm ướt sử dụng dung dịch muối nitrat niken và đồng hòa tan trong nước cất. Dung dịch được thấm hút đều lên bột chất mang gamma oxit nhôm xốp có diện tích bề mặt ban đầu 180 m2/g, tiếp tục được sấy khô ở 110°C trong 12 giờ và nung nhiệt phân ở 500°C đến 600°C trong 4 giờ để tạo liên kết oxit kim loại bền vững.

Việc bổ sung khí giàu hydro trực tiếp vào động cơ xăng mang lại những lợi ích nhiệt động học nào? Khí giàu hydro với nồng độ H2 trên 60% có tốc độ cháy màng lửa nhanh gấp 5 lần so với xăng và mở rộng giới hạn cháy nghèo. Khi cấp vào đường nạp, hydro giúp đẩy nhanh tốc độ cháy hỗn hòa khí, cải thiện hiệu suất nhiệt động cơ thêm 10% đến 15%, đồng thời giảm lượng tiêu hao xăng và cắt giảm từ 20% đến 30% nồng độ khí thải độc hại CO và hydrocarbon.

Hệ thống sắc ký khí trong đề tài thực hiện đo lường những thông số thành phần nào? Nghiên cứu sử dụng thiết bị sắc ký khí Trace GC Thermo tích hợp đầu dò dẫn nhiệt TCD chuyên dụng để định lượng chính xác 5 thành phần khí cơ bản bao gồm H2, CO, CO2, CH4 và N2. Thiết bị đạt giới hạn phát hiện dưới 0,01% thể tích, cung cấp dữ liệu định lượng chính xác để đánh giá cân bằng vật chất và độ chọn lọc sản phẩm của buồng phản ứng.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hệ vật liệu xúc tác lưỡng kim 18 wt% Cu-Ni trên chất mang gamma oxit nhôm với diện tích bề mặt riêng đạt 138 m2/g cùng các hạt nano kim loại phân tán đồng đều kích thước 15 nm đến 22 nm.
• Xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu tại nhiệt độ 550°C và tỷ lệ hơi nước trên cacbon bằng 3,0, cho tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu đạt 92,5% và nồng độ hydro trong sản phẩm khí đạt 65% thể tích.
• Chứng minh cơ chế tương hỗ hiệp đồng giữa Đồng và Niken giúp loại trừ hiện tượng ngộ độc muội than, bảo toàn trên 95% độ bền hoạt tính sau 50 giờ thử nghiệm liên tục.
• Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống thiết bị thực nghiệm gồm cụm buồng phản ứng hóa hơi, bơm điều khiển lưu lượng van kim chính xác và hệ thống sắc ký khí phân tích Trace GC Thermo.
• Khẳng định tính khả thi của giải pháp sản xuất khí giàu hydro on-board từ nhiên liệu xăng lỏng, mở ra tiềm năng giảm 20% đến 30% phát thải độc hại trên các phương tiện giao thông đường bộ.

Công trình luận văn thạc sĩ đã tạo dựng bước tiến khoa học quan trọng trong việc ứng dụng hệ xúc tác kim loại phi quý giá thành thấp thay thế kim loại quý đắt tiền cho công nghệ reforming nhiên liệu. Kế hoạch nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ thực tế dự kiến triển khai trong 12 đến 24 tháng tới nhằm hoàn thiện quy trình ứng dụng công nghiệp. Độc giả, các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí động lực quan tâm hãy kết nối với nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội để tiếp nhận chuyển giao công nghệ và hợp tác triển khai các giải pháp phương tiện xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan day là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết qua anéu trong luận văn là trung thực và chưa từng dược ai công bê trong các công trinh: nao khác. Hà Nội, tháng 10 năm 2013 Học viên Bùi Xuân Trường LOT CAM GN Với tư cách là táo giả của bài luận văn nảy, tôi xin gửi lời cảm cm sâu sắc và chân thành đến thấy giáo T8.Trần Đăng Quốc, người đã hướng dẫn lôi tận tình chủ. đáo để tôi có thể hoàn thành bán luận văn nảy.

Đông thời tôi xin chân thành cảm en các thầy c6 Bộ môn Động Cơ Đốt Trong, Viên Cơ Khí Động Tuực và Viện Đảo lao Sau Đại học, Trường Đạt học Bách Khoa Hà Nội đã giúp dỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm lận văn. Cuỗi cùng tỏi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới gia đình, ban bè và đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẽ với tôi rất nhiều trong thời gian tôi học tập và làm luận vẫn 4à Nội, tháng 10 năm 201% Học viên Bai Xuan Truong, DANH MUC CHU VIET TAT 'Tên đây đủ Ni Niken Cu Đẳng AI Nhôm. Ce Xeri Mo Molypden Pd Paladi Pt Piatin Re Reni Tle Teli Th Tiydro MẸ — Magiê Ö Oxy C Cac-bon N Nho Co — Côban CO Cacbon-ménéxit CO; — Cacbon-diidc CH, Men CéHs Benzene C;ly — Metylbenzenhoặc Toluen Celis Oc-tan CuO — Déng-éxit CeO — Xeriônit AlO; Nhém éxit iii 333. Điều chế các dung địch muổ.

> Thấm dung dịch muối lên chất mang,3 ALOn.3, Làm khô mẫu vật liệu sau khi thấm tắm. Nhiệt phân mẫu vật liệu. CHUONG TI: TRANG THIET BI VÀ PHƯƠNG P PHÁP P THỨ NGHIỆM. Trang thiết bị và phương pháp đánh giá hiệu quả tạo khí giàu hydro từ nhiên liệu xãng.

Bộ hóa hơi nhiên liệu và nước. Buỗng phản ứng. Bộ ngưng tụ - - s9 3. Giới thiệu các trang thiết bị khác.

Bộ phân tích khí GC therme s9 3.2 Tig thang cung cấp và điều khiển nhiên liệu xăng và nước 62 3. Phương pháp đo hiệu quả xúc tác 65 3. Tính toán thành phân khi và tỷ lệ chuyến hóa nhiên liệu - 66 3. Thiết bị phân tích câu trúc và hình dạng của vật liệu xúc tác.

Phân tích diện tích bẻ mat BET - - - 68 3. Phuong pháp xác định câu trúc tỉnh thể bằng tia X O{RD) 70 3. Phương pháp quan sát hình đáng bể mặt bằng kính hiển vi điện từ (SEM).72 CHƯƠNG EV: KÉT QUA TOW NGIDEM. Kết quả XBD của hệ xúc tác Cu-Nư#- AlsO; 17 4.

Kal qua SEM eiia hd xn tac Cu-Ni/y- ALO; 79 4. Đặc tính bễ mặt 79 4. Kết quả ED8 của hệ xúc tác Cu-Ni/#- ALO, 81 4. Kết quả đo điện tích bề mặt bằng phương pháp BET 2 4.

Kết quả do hiệu quả phản ứng và hoạt Lính xúc tác. Kết quả đo hiệu quả phân ứng.1, Ảnh hướng của lưu lượng và tỷ lệ S/C dến hiệu ai phi ứng „ postin BF 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả phôn ứng 86 4. So sánh hiệu quả xúc 180 esses eeeieeeestetinssners stints 8B 4.

Kết quả đo hoạt tinh xúc Tắc .BO KET LUAN VA HUONG PHAT TRIEN TAI LIEU THAM KHAO ví Hình 4. Hình ảnh chụp câu trúc vật liêu của mẫu xúc tác 70 wt4 Cu-Nưy- AlsO¿ qua kính hiển vi điện tử quét. Hình ảnh EDS tai hai vi tri cha mẫu 1819 82 Hình 4. Đặc tính khứ theo nhiệt dộ của vật liệu xúc tác Ni,-Cuy#y-AlạO,,.

Đặc tính khử tham khão của mâu Cu-Ni-Al 91 Tỉnh 4. So sánh đặc tính khử theo nhiệt dé của vật liệu xúc tac cla Gwl% Nig 5- Cua /ÿ-Al;Ca, 1819 Nias-Cuas⁄-AlàO; và 3ów194 Ni s-Cua 2y-A lạÖy,.9T DANH MỤC CÁC BẢNG Bang 1. Hiệu quả của các vật liệu xúc Lác tạo hỗn hợp khí ở nhiệt dộ 8S3E và WSV là 4h! S/G/O 17/1/03 - 21 Bang 1. Táo động của lý 8/Œ/O đôi với hiện quả chuyển hóa nhiên liệu của bộ xúc tác Ni/CeZ-SM-5 ở nhiệt đô 853K và WSV là 4h1 32 Bang 1.

Hiệu quả chuyển đối ethanol với bộ xúc tác được tiên hành kiểm tra. Diéu ché dung dich mtrat. Diễu chế các mẫu xúc tác Cu-Ni/y- AhO ở các tỷ 8 khác nhau.3, Điều chế các mẫu xúc tác Ni-Ce/ †- AlạO; ở các tí lệ khác nhau. Điển chế xúc tác Ni-Mo/ y- AlyOy.

Dign tích b ng của các mẫu Cu-Ni theo cáo tỷ lệ khối lượng. Dign tích ba của các mẫu Cu-Ni 18w1% 83 Bang 4. Diện tích bẻ mặt riêng của các mẫu 189áw1 Cu-Ni so với 84 các hệ xúc tác kháo.4 Ảnh hưởng của lưu lượng trên sự phân bố thánh phần hỗn hợp khi cho phan ing nhiét héa iso octane trén xtc tac 1 8wt%Cu-Ni/AlLO 6 nhiệt độ 550°C .5 Anh hung của tý lệ S/C trên sự phân bỏ thành phần hỗn hợp khí cho phân ứng nhiệt hóa iso octane trên xúc tác 18w6Cu-Ni/AlzO; ở nhiệt dộ 550°C. Một số phần ứmg xây ra trong quá trình rửnệ! hóa ise oelane với hơi nước trên xúc lác 18wI9Cu-Ni/AIsO; [134.

Hiệu quả của nhiệt độ phân ứng trên tỷ lệ chuyến hóa chiên liệu va sự phân bổ thành phần hin hop khi sit dung hé xtic tac [8wt%Cu-Ni/ALO, 86 đảng 4., lHệu quá của nhiệt độ phán ứng trên tý lệ chuyển hóa nhiên liệu và sự phan bế thành phân hỗn hợp khi sử dụng hệ xúc tác I8wt⁄2N1/AlbO; 87 Bang 4. lHệu quá của nhiệt độ phán ứng trên tý lệ chuyển hóa nhiên liệu và sự phân bổ thành phần hỗn hợp khi khi sử dụng hệ xúc tóc 18w196Cu/AbO;. So sánh hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu và sự phân bổ Hành phân hỗn hợp khí khi sử dụng các loại xúc lắc khác nhau 88 Bảng 4. So sánh hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu và sự phân bá thánh phân hỗn.

hợp khi khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau - - so vit DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ Hình 1. Sơ để nguyên lý hoạt động của binh sân xuất khí HHO. So dé hé théng sản xuât khi LUIQ. So dé bé tri thiết bị cửa hệ xúc tác MozC 210 Hình 1.

Kết quả phân tích XRD của hệ xúc tác Mœ;C,. Higu suat qua trinh chuyén déi nhién ligu T-850°C. Phân bỏ sản phẩm của hệ xúc tác Mo¿C tại nhiệt độ T~850°C 12 Tình 1. Ảnh hướng của nhiệt độ lên hiệu quả xúc tác 13 Hinh 1.

So dé nguyên lý để xác định kết quã nhiệt hóa hỗn hợp n-Octane và nước - - - - - - 13 Tĩnh I. TTiệu quả chuyển hóa n-octane và tỷ lệ II; trong sản phẩm khi II;O/C=3. Su thay déi hoat tinh ota mau xtc tae 5 wits Ni/AL,O; “theo thin gian ở 150«Ckhi II;C/C = 3. Hiệu quá chuyên hỏa n-octane vá tỷ lệ Hạ trong sản phẩm của hệ xúc tác Tả -NỮA DO; khi HạO/C = 3.0 (A) và khi HạO/C = 3.12, Dé bén xúc tác của mẫu Pđ-NU/AlsO; 1? Linh 1.13, Câu trúc mẫu xúc tác Pd-N/Al;O; trước và sau S00h thứnghiệm xúc tác 18 Hình 1.

Hiểu quảlã cbuy n hóc nhiên liệu xắng 'thành hỗn hợp khí giảu hydro của xúc tác Ni-Re/AlsO; theo nhiệt dộ khi carbon (5: C) tỷ lệ 1. 12 Hình 115 Thời gian sống của xúc tác NiRø/AI2O3 ở 953K và WSV3h-1, SŒ=171 - - 20 Tĩnh 1. Sơ đỗ nguyên lý của hệ thống thay phan iso-octan. Sự thay đổi hiệu suất của phản ứng và độ chọn lọc sảnphẩm của hệ xúc te CuCe0, theo mhiet d6 (PG-Callg 1 SkPa, PULO)=36kPa, may250mg, F=150 cm’ /min).

Sự thay dai tốc dé tạo. thin H trong các phân ứng ứ nhiệt hóa nhiên liệu xăng nhờ các bộ xúc tác CcÒ; và Cư/CeO¿. Tác động của mken lên hình ảnh quang ph XRD với mẫu 6w(%4 Cu. Tác đông của rnken lên sẵn lượng khi với mẫu xúc lác 3w9 và 6w194 cu.

Sụ thay đổi hoạt độ xúc tác theo thời gian. Diễu chế Ni từ dung dich NiSO,. Quy trình diễu chế các hệ xúc tác Cu-Ni⁄y- ADO3 - 2 AB viii Hình 4. Hình ảnh chụp câu trúc vật liêu của mẫu xúc tác 70 wt4 Cu-Nưy- AlsO¿ qua kính hiển vi điện tử quét.

Hình ảnh EDS tai hai vi tri cha mẫu 1819 82 Hình 4. Đặc tính khứ theo nhiệt dộ của vật liệu xúc tác Ni,-Cuy#y-AlạO,,. Đặc tính khử tham khão của mâu Cu-Ni-Al 91 Tỉnh 4. So sánh đặc tính khử theo nhiệt dé của vật liệu xúc tac cla Gwl% Nig 5- Cua /ÿ-Al;Ca, 1819 Nias-Cuas⁄-AlàO; và 3ów194 Ni s-Cua 2y-A lạÖy,.9T 78M — Zeolit (Pat hiém) WSV Vậnlốc không gian của chất khí THSV Vận tốc không gian của chất lông WW Ty léphan Gam khỏi lượng S/C— Tỹ lệ khối lượng giữa hơi nước và nhiền liệu P — Apsut ‡w DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ Hình 1.

Sơ để nguyên lý hoạt động của binh sân xuất khí HHO. So dé hé théng sản xuât khi LUIQ. So dé bé tri thiết bị cửa hệ xúc tác MozC 210 Hình 1. Kết quả phân tích XRD của hệ xúc tác Mœ;C,.

Higu suat qua trinh chuyén déi nhién ligu T-850°C. Phân bỏ sản phẩm của hệ xúc tác Mo¿C tại nhiệt độ T~850°C 12 Tình 1. Ảnh hướng của nhiệt độ lên hiệu quả xúc tác 13 Hinh 1. So dé nguyên lý để xác định kết quã nhiệt hóa hỗn hợp n-Octane và nước - - - - - - 13 Tĩnh I.

TTiệu quả chuyển hóa n-octane và tỷ lệ II; trong sản phẩm khi II;O/C=3. Su thay déi hoat tinh ota mau xtc tae 5 wits Ni/AL,O; “theo thin gian ở 150«Ckhi II;C/C = 3. Hiệu quá chuyên hỏa n-octane vá tỷ lệ Hạ trong sản phẩm của hệ xúc tác Tả -NỮA DO; khi HạO/C = 3.0 (A) và khi HạO/C = 3.12, Dé bén xúc tác của mẫu Pđ-NU/AlsO; 1? Linh 1.13, Câu trúc mẫu xúc tác Pd-N/Al;O; trước và sau S00h thứnghiệm xúc tác 18 Hình 1. Hiểu quảlã cbuy n hóc nhiên liệu xắng 'thành hỗn hợp khí giảu hydro của xúc tác Ni-Re/AlsO; theo nhiệt dộ khi carbon (5: C) tỷ lệ 1.

12 Hình 115 Thời gian sống của xúc tác NiRø/AI2O3 ở 953K và WSV3h-1, SŒ=171 - - 20 Tĩnh 1. Sơ đỗ nguyên lý của hệ thống thay phan iso-octan. Sự thay đổi hiệu suất của phản ứng và độ chọn lọc sảnphẩm của hệ xúc te CuCe0, theo mhiet d6 (PG-Callg 1 SkPa, PULO)=36kPa, may250mg, F=150 cm’ /min). Sự thay dai tốc dé tạo.

thin H trong các phân ứng ứ nhiệt hóa nhiên liệu xăng nhờ các bộ xúc tác CcÒ; và Cư/CeO¿. Tác động của mken lên hình ảnh quang ph XRD với mẫu 6w(%4 Cu. Tác đông của rnken lên sẵn lượng khi với mẫu xúc lác 3w9 và 6w194 cu. Sụ thay đổi hoạt độ xúc tác theo thời gian.

Diễu chế Ni từ dung dich NiSO,. Quy trình diễu chế các hệ xúc tác Cu-Ni⁄y- ADO3 - 2 AB viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ Hình 1. Sơ để nguyên lý hoạt động của binh sân xuất khí HHO.