Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Tổng Hợp Xúc Tác Kim Loại Trên Chất Mang Với Kim Loại Trợ Xúc Tác Cho Phản Ứng Fischer-Tropsch

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng Hoa
• Người hướng dẫn: TS. Đào Quốc Tùy
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp xúc tác kim loại trên chất mang với kim loại trợ xúc tác khác nhau cho phản ứng tổng hợp Fischer-Tropsch
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Quá trình tổng hợp F-T
• 1.2. Giới thiệu về quá trình tổng hợp F-T
• 1.3. Phản ứng hóa học và cơ chế phản ứng của quá trình tổng hợp F-T
• 1.4. Phản ứng hóa học của quá trình tổng hợp F-T
• 1.5. Cơ chế của quá trình tổng hợp F-T
• 1.6. Nguyên liệu, công nghệ và sản phẩm của quá trình tổng hợp F-T
• 1.6.1. Nguyên liệu của quá trình tổng hợp F-T
• 1.6.2. Công nghệ của quá trình tổng hợp F-T
• 1.6.3. Sản phẩm của quá trình tổng hợp F-T
• 1.7. Xúc tác cho quá trình tổng hợp F-T
• 1.7.1. Kim loại hoạt động
• 1.7.2. Chất phụ trợ (chất xúc tiến)
• 1.7.3. Chất mang silicagel
• 1.7.4. Chất mang mao quản trung bình
• 1.7.5. Vật liệu MQTB biến tính
• 1.8. Phương pháp tổng hợp xúc tác
• 1.8.1. Phương pháp ngâm tẩm
• 1.8.2. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.8.3. Phương pháp Sol-gel
• 1.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp F-T
• 1.9.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp F-T
• 1.9.2. Ảnh hưởng của áp suất đến quá trình tổng hợp F-T
• 1.9.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu và tốc độ dòng nguyên liệu đến quá trình tổng hợp F-T
• 1.9.4. Ảnh hưởng của xúc tác đến quá trình tổng hợp F-T
• 1.10. Mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Dụng cụ, thiết bị
• 2.3. Tiến hành tổng hợp
• 2.3.1. Tổng hợp chất mang SBA-15
• 2.3.2. Tổng hợp chất mang Al-SBA-15
• 2.3.3. Tổng hợp hệ xúc tác
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu đánh giá đặc trưng hóa lý của xúc tác
• 2.4.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM - Transmission Electron Microscopy)
• 2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4.3. Xác định diện tích bề mặt riêng và cấu trúc mao quản bằng phương pháp hấp phụ vật lý
• 2.4.4. Xác định hàm lượng kim loại mang trên chất mang bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.4.5. Xác định độ axit của vật liệu bằng giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ (TPD - NH3)
• 2.4.6. Xác định độ phân tán kim loại trên chất mang bằng hấp phụ hóa học xung CO (TPD-CO)
• 2.5. Xác định trạng thái oxy hóa khử của oxit kim loại bằng khử hóa theo chương trình nhiệt độ (TPR-H2)
• 2.6. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác cho phản ứng tổng hợp F-T
• 2.6.1. Sơ đồ phản ứng thiết bị phản ứng tổng hợp F-T
• 2.6.2. Cơ sở phương pháp tính toán kết quả
• 2.6.3. Tiến hành quá trình chuyển hóa khí tổng hợp
• 2.6.4. Đánh giá chất lượng sản phẩm của quá trình tổng hợp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng hóa lý của chất mang SBA-15 và Al-SBA-15
• 3.2. Đặc trưng pha tinh thể của chất mang SBA-15 và Al-SBA-15
• 3.3. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc mao quản của SBA-15 và Al-SBA-15
• 3.4. Đặc trưng bề mặt vật liệu, ảnh TEM của SBA-15 và Al-SBA-15
• 3.5. Phổ tán xạ tia X của Al-SBA-15
• 3.6. Độ axit của Al-SBA-15
• 3.7. Kết quả đặc trưng hóa lý của xúc tác Co/Al-SBA-15 và 5%Co-x%B/Al-SBA-15
• 3.8. Đặc trưng pha tinh thể của xúc tác Co/Al-SBA-15 và 5%Co-x%B/Al-SBA-15
• 3.9. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc mao quản của xúc tác Co/Al-SBA-15 và 5%Co-x%B/Al-SBA-15
• 3.10. Đặc trưng bề mặt vật liệu, ảnh TEM của các mẫu xúc tác/chất mang
• 3.11. Nghiên cứu quá trình khử xúc tác bằng phương pháp TPR-H2
• 3.12. Độ phân tán kim loại trên chất mang, xác định bằng phương pháp hấp phụ hóa học xung CO, TPD-CO
• 3.13. Khảo sát ảnh hưởng các điều kiện hoạt hóa xúc tác đến quá trình chuyển hóa khí tổng hợp
• 3.13.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khử hóa đến quá trình F-T
• 3.13.2. Ảnh hưởng của lưu lượng H2 đến quá trình F-T
• 3.13.3. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến quá trình F-T
• 3.14. Khảo sát ảnh hưởng các điều kiện tiến hành phản ứng đến hoạt tính xúc tác của quá trình F-T
• 3.14.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.14.2. Ảnh hưởng của tốc độ thể tích
• 3.14.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.14.4. Đánh giá hoạt tính xúc tác khi bổ sung chất xúc tiến B với các hàm lượng khác nhau đến quá trình tổng hợp F-T
• 3.14.5. Ảnh hưởng đến độ chuyển hóa nguyên liệu H2 và CO
• 3.14.6. Ảnh hưởng đến sự phân bố các phân đoạn trong sản phẩm lỏng
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về xúc tác kim loại và chất mang

Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp xúc tác kim loại trên chất mang với sự hỗ trợ của kim loại trợ xúc tác cho phản ứng Fischer-Tropsch. Xúc tác kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng. Chất mang như SBA-15 được lựa chọn nhờ diện tích bề mặt lớn và cấu trúc mao quản đồng đều, giúp phân tán tốt các hạt kim loại. Kim loại trợ xúc tác như Bo (B) được thêm vào để tăng độ bền và ổn định của xúc tác.

1.1. Vai trò của xúc tác kim loại

Xúc tác kim loại như Coban (Co) được sử dụng phổ biến trong phản ứng Fischer-Tropsch nhờ khả năng tạo phức bền và hấp phụ hiệu quả các nguyên tử H2 và CO. Coban có nhiều trạng thái oxy hóa, giúp tăng cường hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc sản phẩm.

1.2. Chất mang và tính chất

Chất mang SBA-15 được nghiên cứu nhờ diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc mao quản đồng đều. Điều này giúp phân tán tốt các hạt kim loại, tăng hiệu quả phản ứng. Chất mang cũng ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của xúc tác.

II. Phương pháp tổng hợp xúc tác

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp tổng hợp như ngâm tẩm, đồng kết tủa, và Sol-gel để tạo ra xúc tác kim loại trên chất mang. Phương pháp ngâm tẩm được ưu tiên nhờ tính đơn giản và hiệu quả trong việc phân bố kim loại trên chất mang. Kim loại trợ xúc tác như Bo được thêm vào để cải thiện độ bền và hoạt tính của xúc tác.

2.1. Phương pháp ngâm tẩm

Phương pháp ngâm tẩm được sử dụng để phân bố kim loại hoạt động như Coban trên chất mang SBA-15. Quá trình này đảm bảo sự phân tán đồng đều của kim loại, tăng hiệu quả phản ứng.

2.2. Vai trò của kim loại trợ xúc tác

Kim loại trợ xúc tác như Bo được thêm vào để tăng độ bền và ổn định của xúc tác. Bo giúp giảm tỷ lệ mất hoạt tính và ngăn chặn sự hấp phụ cacbon không mong muốn.

III. Ứng dụng trong phản ứng Fischer Tropsch

Phản ứng Fischer-Tropsch được nghiên cứu nhằm chuyển hóa khí tổng hợp (CO và H2) thành nhiên liệu lỏng. Xúc tác kim loại trên chất mang với kim loại trợ xúc tác đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất, và tỷ lệ nguyên liệu.

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất

Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng Fischer-Tropsch. Nhiệt độ cao thúc đẩy phản ứng nhưng có thể làm giảm độ chọn lọc sản phẩm. Áp suất cao giúp tăng hiệu suất nhưng cũng làm tăng chi phí vận hành.

3.2. Độ chọn lọc sản phẩm

Xúc tác kim loại trên chất mang với kim loại trợ xúc tác giúp tăng độ chọn lọc sản phẩm hydrocacbon mạch dài. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc sản xuất nhiên liệu lỏng chất lượng cao.

IV. Kết quả và đánh giá

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công xúc tác kim loại trên chất mang với kim loại trợ xúc tác cho phản ứng Fischer-Tropsch. Kết quả cho thấy xúc tác có hoạt tính cao, độ bền tốt, và độ chọn lọc sản phẩm hydrocacbon mạch dài. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc bổ sung kim loại trợ xúc tác như Bo giúp cải thiện đáng kể hiệu suất phản ứng.

4.1. Hiệu suất phản ứng

Xúc tác tổng hợp đạt hiệu suất cao trong phản ứng Fischer-Tropsch, với độ chuyển hóa CO và H2 đạt mức tối ưu. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc sử dụng kim loại trợ xúc tác trong quá trình tổng hợp.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu lỏng từ khí tổng hợp. Xúc tác kim loại trên chất mang với kim loại trợ xúc tác có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất.