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.

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.