Nghiên cứu lựa chọn xúc tác cho quá trình chuyển hóa chọn lọc khí cacbon đioxit (CO2) thành metan bằng hiđro ở áp suất thường

Đề tài "Nghiên cứu lựa chọn xúc tác cho quá trình chuyển hóa chọn lọc khí cacbon đioxit (CO2) thành CH4 bằng hydro ở áp suất thường" đã khảo sát xúc tác của bốn kim loại chuyển tiếp Cu, Fe, Co và Ni trên các chất mang khác nhau là thanh hoạt tính, MgO, ZrO2, Al2O3.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu lựa chọn xúc tác cho quá trình chuyển hóa chọn lọc khí cacbon đioxit (CO2) thành metan bằng hiđro ở áp suất thường KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CHỌN LỌC KHÍ CACBON ĐIOXIT (CO2) THÀNH METAN BẰNG HIĐRO Ở ÁP SUẤT THƢỜNG Hà Thị Thùy Quyên, Lớp K60B, Khoa Hóa học GVHD: PGS.TS. Lê Minh Cầm, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hà Tóm tắt: Đề tài nghiên cứu lựa chọn xúc tác cho quá trình chuyển hóa chọn lọc khí cacbon đioxit (CO2) thành CH4 bằng hydro ở áp suất thường đã khảo sát xúc tác của bốn kim loại chuyển tiếp Cu, Fe, Co và Ni trên các chất mang khác nhau là thanh hoạt tính, MgO, ZrO2, Al2O3. Các mẫu xúc tác được tổng hợp bằng các phương pháp ngâm tẩm, phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa, nghiên cứu đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp XRD, SEM, BET, TPR-H2 và được nghiên cứu hoạt tính xúc tác trên hệ phản ứng vi dòng. Kết quả thực nghiệm cho thấy mặc dù xúc tác Ni/ZrO2 có độ chuyển hóa CO2 không khác ở các công bố khác, tuy nhiên độ chọn lọc đạt gần như tuyệt đối tại nhiệt độ 3500C và áp suất thường. Từ khóa: Methanation, CO2, xúc tác Ni (Ni catalyst), chất mang. I. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hàm lƣợng CO2 trong không khí là rất thấp: 0,003 - 0,006% hoặc 300 – 600 ppm (1 phần triệu mg/lít), phụ thuộc vào từng vị trí trên Trái Đất, CO2 đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình quang hợp của cây xanh. Bên cạnh đó cũng phải kể đến nhiều ứng dụng thực tiễn của CO2 trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp khai thác dầu mỏ. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng dân số và sự phát triển của kinh tế xã hội hiện nay khiến cho lƣợng khí CO2 tăng nhanh gây ảnh hƣởng đến bầu khí quyển, mực nƣớc biển và hệ sinh thái. Trong đó có sự biến đổi khí hậu do hiệu ứng nhà kính mà CO2 là tác nhân chính. Trong bối cảnh chung, Việt Nam cũng không ngoại trừ những vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do khí thải CO2. Việc nghiên cứu cắt giảm hàm lƣợng khí thải CO2 vào không khí là nhiệm vụ hết sức quan trọng. Tuy nhiên, ở đây còn có vấn đề nổi cộm hơn, đó là khí CO2 trong các mỏ dầu và khí thiên nhiên có hàm lƣợng khá cao [1]. Về phƣơng diện khác, tổng sản lƣợng dầu khí xác minh của thế giới hiện chỉ có thể đáp ứng nhu cầu trong một số thập niên tới. Tình trạng cạn kiệt nguồn dầu thô ở các khu vực là báo động nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng khai thác và sử dụng nguồn năng lƣợng mới, trong đó có khí CO2 nhƣ nguồn năng lƣợng bổ sung để giải quyết vấn đề thiếu hụt dầu mỏ, khí đốt, đồng thời làm giảm nhẹ ô nhiễm môi trƣờng. Hai hƣớng giải pháp chính đã đƣợc đề xuất để loại bỏ hoặc chuyển hóa nguồn khí CO2 phát thải [2]: (i) Thu hồi và lƣu trữ CO2 ngay tại nguồn phát thải của nó. (ii) Khảo sát, nghiên cứu, đề xuất các phƣơng pháp giúp chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm hóa học hữu ích. Với hƣớng giải pháp đầu tiên, các nhà khoa học đã nghiên cứu và đƣa ra đƣợc nhiều giải pháp khả thi, trong đó tiêu biểu là công nghệ thu hồi và lƣu trữ CCS (Carbon Capture 65 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 and Storage) [3], công nghệ thu hồi và sử dụng CCU (Carbon Capture and Utilization) [3]. Tuy nhiên, giải pháp này có một số vấn đề lớn nhƣ chi phí cao, các vấn đề về giao thông để vận chuyển CO2, nguy cơ rò rỉ gây cháy nổ trong tƣơng lai,… Do đó, ngƣời ta đã tập trung hơn vào hƣớng giải pháp thứ hai. Nhiều phƣơng pháp và quy trình đã đƣợc đề xuất để chuyển hóa và sử dụng CO2, bao gồm: Tái tạo CO2 thành các khí tổng hợp (synthesis gas) [4], hiđro hóa khử CO2 tạo ra CH3OH [4,5] và CH4 [2,6-9], và tổng hợp đimetyl cacbonat, xiclic cacbonat, đimetyl ete [10],… thông qua một số phƣơng pháp nhƣ xúc tác dị thể, xúc tác đồng thể [10], xúc tác quang [3,11,12 ], công nghệ điện hóa [13]. Công nghệ chuyển hóa CO2 thành những sản phẩm hữu ích đã nhanh chóng trở thành điểm “nóng” có sức hút mạnh mẽ thu hút sự quan tâm chú ý của các nhà khoa học cũng nhƣ các nhà sản xuất bởi tính cấp thiết của nó nhìn từ góc độ bảo vệ môi trƣờng và góc độ cung cấp nguồn năng lƣợng thay thế năng lƣợng hóa thạch. Tuy vậy, hiệu suất và chọn lọc của quá trình chuyển hóa CO2 là một thách thức to lớn bởi những giới hạn về động học cũng nhƣ nhiệt động học của quá trình. “Chìa khóa” của sự thành công chính là chế tạo xúc tác và thiết lập điều kiện tối ƣu cho phản ứng. Từ những lí do trên chúng tôi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu lựa chọn xúc tác cho quá trình chuyển hóa chọn lọc khí cacbon đioxit (CO2) thành metan bằng hiđro ở áp suất thƣờng. Quá trình chuyển hóa CO2 thành metan (CO2 methanation) đƣợc biết đến nhƣ một quá trình khí hóa, đã đƣợc phát hiện từ những năm 1900 bởi Sabatier và Senderens [2], nhƣng chỉ đƣợc biết đến nhiều hơn vào những năm 1970 trong nỗ lực loại bỏ, giảm thiểu khí CO2 trong khí quyển. Đây là một phản ứng q ...