I. Động học phản ứng oxi hóa
Nghiên cứu động học phản ứng oxi hóa riêng phần methane trên xúc tác Ni là trọng tâm của luận văn. Phản ứng này được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao, từ 675 đến 750°C, nhằm tối ưu hóa tốc độ phản ứng. Kết quả cho thấy tốc độ phản ứng tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng. Phương trình động học được đề xuất dựa trên sự ảnh hưởng của các phản ứng phụ như phản ứng oxi hóa hoàn toàn và steam reforming. Phương trình này có dạng: r = (k1PCH4PO2^0.52 + k2PCH4PH2O) / (1 + k4PCH4 + k5PO2)(1 + k10PCH4 + k11PO2^0.52 + k13PH2O). Sai số giữa tính toán và thực nghiệm là 22.3%, cho thấy sự phù hợp của mô hình.
1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ phản ứng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến động học phản ứng oxi hóa. Khi nhiệt độ tăng từ 675 đến 750°C, tốc độ phản ứng tăng đáng kể. Điều này được giải thích bởi sự gia tăng năng lượng hoạt hóa của các phân tử methane và oxi, giúp chúng dễ dàng vượt qua rào cản năng lượng để tham gia phản ứng. Kết quả này phù hợp với lý thuyết Arrhenius, cho thấy mối quan hệ mũ giữa tốc độ phản ứng và nhiệt độ.
1.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng
Nồng độ của methane, oxi, và hơi nước có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng. Khi nồng độ methane và oxi tăng, tốc độ phản ứng tăng do sự gia tăng số lượng phân tử tham gia phản ứng. Trong khi đó, hơi nước cũng có tác động tích cực, nhưng ít hơn so với methane và oxi. Ngược lại, CO, CO2, và H2 không ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng.
II. Xúc tác Ni MgO α Al2O3
Xúc tác Ni/MgO/α-Al2O3 được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa, với hàm lượng Ni là 7.58%. Các tính chất lý hóa của xúc tác được nghiên cứu kỹ lưỡng, bao gồm diện tích bề mặt riêng, thành phần pha, và hình thái bề mặt. Kết quả cho thấy xúc tác có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng hiệu quả phản ứng. Thành phần pha của xúc tác bao gồm Ni, NiO, MgO, và α-Al2O3, tạo nên cấu trúc bền vững ở nhiệt độ cao.
2.1. Tính chất lý hóa của xúc tác
Các tính chất lý hóa của xúc tác Ni/MgO/α-Al2O3 được xác định bằng các phương pháp như BET, XRD, và TPR. Kết quả cho thấy xúc tác có diện tích bề mặt riêng lớn, giúp tăng khả năng hấp phụ các chất phản ứng. Thành phần pha của xúc tác bao gồm Ni, NiO, MgO, và α-Al2O3, tạo nên cấu trúc bền vững ở nhiệt độ cao. Hình ảnh FE-SEM và EDS cho thấy bề mặt xúc tác đồng đều, với sự phân bố tốt của các nguyên tố.
2.2. Ảnh hưởng của xúc tác đến phản ứng
Xúc tác Ni/MgO/α-Al2O3 có vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ phản ứng oxi hóa riêng phần methane. Xúc tác này giúp giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, nhờ đó tăng hiệu suất chuyển hóa methane thành syngas. Ngoài ra, xúc tác còn ổn định ở nhiệt độ cao, giúp duy trì hiệu suất phản ứng trong thời gian dài.
III. Ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc sản xuất syngas từ methane, một nguồn nguyên liệu dồi dào và giá rẻ. Syngas được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa dầu, đặc biệt là trong quá trình tổng hợp methanol và Fischer-Tropsch. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các thiết bị phản ứng công nghiệp, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và giảm chi phí.
3.1. Sản xuất syngas
Syngas là hỗn hợp của CO và H2, được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều quá trình công nghiệp. Nghiên cứu này cung cấp phương pháp hiệu quả để sản xuất syngas từ methane, với tỉ lệ H2/CO xấp xỉ 2, phù hợp cho quá trình tổng hợp methanol và Fischer-Tropsch.
3.2. Giảm chi phí sản xuất
Phương pháp oxi hóa riêng phần methane có ưu điểm là yêu cầu năng lượng thấp và thời gian phản ứng ngắn, giúp giảm chi phí xây dựng và vận hành thiết bị. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở để tối ưu hóa quá trình sản xuất, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế.
