Im Fokus der Arbeit steht die Realisierung des bedeutsamen Hydrolyseschrittes der Sol-Gel-Synthese zur Herstellung eines Ni/Al2O3-Katalysatorsystems in einem speziellem Mikroreaktor - dem intensivmischenden Microjet-Reaktor. Dafür soll eine Mikroreaktionstechnikanlage aufgebaut und in Betrieb genommen werden.
Die Präparation der Trägerkatalysatoren orientiert sich an der Durchführung und Chemikalienauswahl von Kim et al. Durch Variation und Optimierung der Hydrolysebedingungen soll ein Katalysatorsystem mit der folgenden Zielstellung hergestellt werden: hohe Aktivität und Selektivität für der Trockene Reformierung, geringe Verkokung und Deaktivierung bei der Trockenen Reformierung, hohe Dispersität und geringe Partikelgröße des Nickels, mesoporöser Träger mit schmaler Porenverteilung und hoher spezifischer Oberfläche und Bildung des Nickel-Aluminium-Spinells NiAl2O4.
Die Nachbehandlungsschritte der Sol-Gel-Methode werden unter gleichbleibenden Bedingungen durchgeführt um eine Vergleichbarkeit der Proben untereinander zu gewährleisten und Rückschlüsse auf Einflüsse bei der Hydrolyse ziehen zu können. Die Untersuchungsaspekte des Hydrolyseschrittes sind: der Wasserüberschuss bei der Hydrolyse, der pH-Wert bei der Hydrolyse, der Nickel-, Precursor- und Templatgehalt der Precursor-Lösung und die Betriebsparameter des Mikroreaktors.
Die Charakterisierung der hergestellten Katalysatoren erfolgt über die Temperaturprogrammierte Reduktion bzw. Adsorption, der Stickstofftieftemperatursorption sowie bei einzelnen Proben der Röntgendiffraktometrie, Transmissionselektronenmikroskopie und Heliumdichtemessung. Die untersuchten Katalysatoreigenschaften sind die aktive Metalloberfläche, die Dispersität und die errechneten Partikeldurchmesser des Nickels, die Porenverteilung und die spezifische Oberfläche (BET) des Al2O3-Trägergerüstes. Weiterhin sind die kristallinen Strukturen zu identifizieren und die Homogenität der Dispersität der Nickelpartikel zu untersuchen.
Um die Stabilisierung der Aktivkomponente durch den Träger aufzuzeigen, sollen die Oberflächen von Träger und Aktivkomponente miteinander korrelliert werden. Zusätzlich zur Charakterisierung der hergestellten Katalysatoren sollen ausgewählte Katalysatoren im Laborreaktor auf Aktivität (Umsatz) und Selektivität (Produktverhältnis) bezogen auf das Trockene Reformieren sowie den Verkokungsgrad getestet werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Trockene Reformierung
1.2. Ni/Al2O3-Katalysatorsystem
1.3. Zielsetzung und Umfang der Arbeit
2. Theoretischer Teil
2.1. Präparation von Ni/Al2O3-Katalysatoren
2.1.1. Sol-Gel-Methode
2.1.2. elementspezifische Reaktionen während der Sol-Gel-Methode
2.1.3. Einflussgrößen der Sol-Gel-Bildung
2.2. Mikroreaktoren
2.2.1. Vor- und Nachteile von Mikroreaktoren
2.2.2. Mikromischer
2.2.3. Spezialfall: Microjet-Reaktor
3. Experimenteller Teil
3.1. Mikroreaktionstechnikanlage
3.1.1. Aufbau
3.1.2. Funktionsweise
3.1.3. Inbetriebnahme und Reinigung
3.2. Chemikalien und Materialien
3.3. Synthese der Katalysatoren
3.3.1. Herstellung der Precursor- und Hydrolyse-Lösungen
3.3.2. Hydrolyse im Mikroreaktor
3.3.3. Nachbehandlung der hydrolysierten Proben
3.3.4. Variation der chemischen Zusammensetzung und Betriebsparameter
3.3.5. Probenbezeichnung
3.4. Charakterisierungsmethoden
3.4.1. Stickstofftieftemperatursorption
3.4.2. Temperaturprogrammierte Reduktion und Adsorption (TPR/TPA)
3.4.3. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
3.4.4. Röntgendiffraktometrie (XRD)
3.4.5. Helium-Pyknometrie
3.5. Katalytische Testung
3.5.1. Aufbau der Anlage
3.5.2. Durchführung und Analytik
4. Ergebnisse und Diskussion
4.1. Einflussgrößen bei der Hydrolyse
4.1.1. Einfluss des Wasserüberschusses
4.1.2. Einfluss des pH-Wertes und verschiedener Additive
4.1.3. Einfluss der Stearinsäurezugabe
4.1.4. Einfluss des Nickelgehaltes
4.1.5. Einfluss der Betriebsparameter des Mikroreaktors und der Precursorkonzentration
4.2. Auswertung der katalytischen Testung
4.2.1. Aktivität
4.2.2. Selektivität / Produktverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid
4.2.3. Verkokung der Katalyatoren
4.2.4. Diskussion
5. Zusammenfassung
6. Literaturverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Die Masterarbeit befasst sich mit der Optimierung der Präparation von Ni/Al2O3-Katalysatoren für die Trockene Reformierung mittels einer Sol-Gel-Methode in einem speziellen Mikroreaktor (Microjet-Reaktor). Das primäre Ziel ist die Realisierung eines intensivmischenden Hydrolyseschrittes, um hochaktive, selektive und verkokungsresistente Katalysatorsysteme mit definierter Porenstruktur und hoher Nickeldispersität zu erzeugen.
- Optimierung der Hydrolysebedingungen zur Steigerung der Katalysatoraktivität
- Einsatz der Mikroreaktionstechnik zur präzisen Kontrolle der Sol-Gel-Bildung
- Analyse der Einflüsse von Wasserüberschuss, pH-Wert und Additiven auf die Katalysatoreigenschaften
- Charakterisierung der morphologischen und strukturellen Eigenschaften (Oberfläche, Poren, Partikelgröße)
- Evaluierung der katalytischen Leistungsfähigkeit und Stabilität unter Betriebsbedingungen
Auszug aus dem Buch
3.3.2. Hydrolyse im Mikroreaktor
Zur Verdeutlichung der Handlungsschritte an der Mikroreaktionstechnikanlage wird im Folgenden Abb. 8 aus dem Kapitel "3.1.2. Funktionsweise" herangezogen. Weiterhin ist vorausgesetzt, dass die Anlage entsprechend "3.1.3. Inbetriebnahme und Reinigung" betriebsbereit ist.
Die zuvor hergestellte Precursor-Lösung und Hydrolyse-Lösung sind in die Vorratsgefäße B11 bzw. B21 zu füllen und diese Gefäße anstelle der gleichartigen Duranflaschen, welche die Lösungsmittel zum Spülen enthalten, anzuschließen. Die Rührvorrichtung für B21 ist auf eine mittlere Geschwindigkeit einzuschalten. Ein zweites Auffanggefäß (400 ml Becherglas) für B41 wird beschriftet bereitgestellt. Zudem ist eine Stoppuhr neben der Anlage zu positionieren.
Zunächst wird der Stickstoffgasstrom zugeschaltet und mithilfe der Druck- und Durchflussregler auf 3 bar und 120 l/h eingestellt. Nun werden die Hochdruckpumpen P11 und P21 mit einer Förderleistung von 25 ml/min gestartet. Die Dreiwegehähne vor der Anlage sind in Richtung der Abfallgefäße B12 und B22 geschaltet. Für etwa 20 s werden die Probelösungen hierdurch eingespült.
Daraufhin werden die Dreiwegehähne gleichzeitig in Richtung Mikroreaktor umgelegt und die Stoppuhr gestartet. Nach 2 s wird das erste gelartige Produkt aus dem Reaktor zum Auffanggefäß B41 gefördert. Sind exakt 20 s nach Umlegen der Dreiwegehähne vergangen, wird das Auffanggefäß B41 durch das zweite bereitgestellte schnellstmöglich ausgetauscht. Von nun an wird das eigentliche Produkt hergestellt und aufgefangen. Nachfolgend wartet man 4 min (jeweils 100 ml Flüssigkeit) Versuchszeit ab und tauscht das Auffanggefäß nach exakt 4 min 20 s auf der Stoppuhr durch das erste Gefäß aus. Das beschriftete Gefäß beinhaltet das Gel mit ca. 200 ml Gesamtvolumen, welches entsprechend "3.3.3. Nachbehandlung der hydrolysierten Proben" weiter bearbeitet wird.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die wissenschaftliche Relevanz der Trockenen Reformierung zur CO2-Reduzierung, stellt das Ni/Al2O3-Katalysatorsystem vor und definiert die Zielsetzung der Arbeit.
2. Theoretischer Teil: Erläutert die Grundlagen der Sol-Gel-Methode, die Einflussgrößen bei der Synthese von Trägerkatalysatoren sowie die technologischen Besonderheiten und Vorteile von Mikroreaktoren.
3. Experimenteller Teil: Dokumentiert den Aufbau der Mikroreaktionstechnikanlage, die verwendeten Chemikalien und Materialien, die detaillierte Synthesevorschrift der Katalysatoren sowie die angewandten Charakterisierungs- und Testmethoden.
4. Ergebnisse und Diskussion: Analysiert die Einflüsse der Hydrolyseparameter (Wasserüberschuss, pH-Wert, Additive, Konzentration) auf die Katalysatoreigenschaften und bewertet die katalytische Performance hinsichtlich Aktivität, Selektivität und Verkokung.
5. Zusammenfassung: Fasst die erzielten Forschungsergebnisse zur Katalysatorpräparation im Microjet-Reaktor zusammen und gibt einen Ausblick auf Optimierungspotenziale.
Schlüsselwörter
Trockene Reformierung, Sol-Gel-Methode, Nickel-Aluminiumoxid-Katalysator, Mikroreaktor, Microjet-Reaktor, Hydrolyse, Dispersität, Porenstruktur, Nickeldispersität, Katalysatordeaktivierung, Verkokung, Synthesegas, Oberflächenanalyse, Partikelgröße, Katalysatorpräparation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit?
Die Arbeit untersucht die effiziente Herstellung von Ni/Al2O3-Katalysatoren für die Trockene Reformierung (Umsetzung von Methan und CO2 zu Synthesegas) durch einen speziellen, intensivmischenden Mikroreaktor (Microjet-Reaktor).
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Themen sind die Sol-Gel-Katalysatorsynthese, der Einsatz der Mikroreaktionstechnik zur Prozessoptimierung, die Charakterisierung der morphologischen Katalysatoreigenschaften sowie die katalytische Testung auf Aktivität, Selektivität und Verkokung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die Etablierung eines Hydrolyse-Prozesses im Mikroreaktor, um hochaktive und stabile Katalysatoren mit definierter Porenstruktur und hoher Nickeldispersität zu erzeugen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es wird eine Sol-Gel-Synthese angewandt, charakterisiert durch Stickstoffsorption (BET), Temperaturprogrammierte Reduktion/Adsorption (TPR/TPA), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Helium-Pyknometrie. Die katalytische Testung erfolgt im Laborreaktor mit massenspektrometrischer Analytik.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Betrachtung der Sol-Gel-Präparation und Mikroreaktionstechnik sowie einen experimentellen Teil, der den Anlagenaufbau und die Syntheseschritte beschreibt. Daran schließt eine ausführliche Ergebnisdiskussion über den Einfluss von Wasserüberschuss, pH-Wert, Additiven und Prozessparametern an.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Wichtige Schlüsselbegriffe sind: Trockene Reformierung, Sol-Gel-Methode, Mikroreaktor-Technologie, Nickeldispersität und Katalysator-Verkokung.
Warum ist der Microjet-Reaktor entscheidend für die Synthese?
Der Microjet-Reaktor ist entscheidend, da er durch seine Bauweise (intensivmischende Düsen) eine extrem schnelle Durchmischung ermöglicht, was besonders bei Fällungsreaktionen eine Verstopfung durch unerwünschte Niederschläge verhindert und eine homogene Gelstruktur fördert.
Was beeinflusst die Partikelgröße des Nickels am stärksten?
Die Partikelgröße wird maßgeblich durch den Wasserüberschuss bei der Hydrolyse sowie durch die Zugabe von Additiven wie Säuren oder Basen beeinflusst, welche die Hydrolysereaktion katalysieren und somit die Verteilung der aktiven Komponente auf dem Träger steuern.
- Arbeit zitieren
- M.Sc. Sven Scholz (Autor:in), 2014, Präparation eines Ni/Al2O3-Katalysatorsystems in einem Mikroreaktor, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/426292
