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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37388
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-2481-0847 |
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Produção de hidrogênio através da reforma a vapor de etanol com captura de dióxido de carbono usando catalisadores bifuncionais à base de níquel e óxido de cálcio dopados com magnésio e alumínio |
Alternate title (s): | Hydrogen production from sorption enhanced steam reforming of ethanol using bifunctional nickel and calcium-based catalysts doped with magnesium and aluminum |
Author: | Oliveira, Cassiano Cunha |
First Advisor: | Hori, Carla Eponina |
First member of the Committee: | Alonso, Christian Gonçalves |
Second member of the Committee: | Dantas, Sandra Cristina |
Summary: | Este trabalho avaliou o desempenho de catalisadores à base de níquel suportados em CaO e CaO-MgO-Al2O3 na reforma a vapor de etanol melhorada (RVEM) visando a produção de H2 de alta pureza. Os catalisadores foram preparados pelo método sol-gel e caracterizados por diferentes métodos: Redução a temperatura programada (RTP), difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) com mapeamento de elementos químicos, fisissorção de N2 e análise termogravimétrica (ATG). As análises de DRX mostraram que as fases predominantes foram CaO, MgO, CaCO3, Ca(OH)2 e NiO nas amostras calcinadas e de Ni0 nas amostras reduzidas e passivadas. Os perfis de RTP indicaram que todos os catalisadores tiveram um alto grau de redução (Ni/CaMgAl- 68 > Ni/CaMgAl-79 > Ni/Ca), embora as amostras de Ni/CaMgAl-X apresentem altas temperaturas de redução indicando a formação de NiAl2O4. A RTP realizada nas condições de temperatura da ativação do catalisador obteve um grau de redução do NiO superior a 90% devido ao contato das amostras em uma atmosfera redutora por um tempo maior do que o usado durante a análise de RTP. A ATG mostrou que o catalisador Ni/CaMgAl-68 foi o mais estável durante os 20 ciclos de carbonatação e regeneração porque teve a menor perda de capacidade de captura de CO2. No entanto, o catalisador Ni/CaMgAl-79 apresentou a maior capacidade de captura após 20 ciclos tanto em relação a massa de catalisador quanto por massa de CaO. Os testes catalíticos na RVEM mostraram que o catalisador Ni/CaMgAl-79 teve o melhor desempenho, uma vez que foi o que teve maior tempo de produção de hidrogênio de alta pureza. No período de prebreakthrough, as frações molares de H2 ficaram próximas de 90% para todas as amostras durante todos os ciclos reacionais. Além disso, a captura de CO2 promovida pelo sorvente permitiu que esses valores de concentração fossem superiores às da reforma a vapor de etanol convencional, devido ao deslocamento do equilíbrio que favorece a produção de H2. A ATG realizada após os ciclos reacionais também mostraram que provavelmente a presença dos óxidos metálicos MgO e Al2O3 nos catalisadores minimizou a formação de coque na superfície dos catalisadores, obtendo taxas médias de deposição de 11,5, 7,4 e 6,2 mgC/gcat/h, para os catalisadores de Ni/Ca, Ni/CaMgAl-79 e Ni/CaMgAl-68, respectivamente. |
Abstract: | This work evaluated the performance of nickel-based catalysts supported on CaO and CaO-MgO-Al2O3 in the sorption enhanced steam reforming of ethanol (SESRE) aiming the production of high purity H2. The catalysts were prepared by sol-gel method and characterized by different methods: Temperature programmed reduction (TPR), X-ray diffraction (XRD), scanning electronic microscopy (SEM) with chemical element mapping, N2 physisorption and thermogravimetric analysis (TGA). XRD analyses showed that the predominant phases were CaO, MgO, CaCO3, Ca(OH)2 and NiO in the calcined samples and Ni0 in the reduced and passivated samples. TPR profiles indicated that all catalysts presented a high degree of reduction (Ni/CaMgAl-68 > Ni/CaMgAl-79 > Ni/Ca), although the Ni/CaMgAl-X samples presented high reduction temperatures indicating the formation of NiAl2O4. TPR performed under temperature conditions of catalyst activation obtained a degree of reduction of NiO over 90% due to the contact of the samples in a reducing atmosphere for a longer time than that used during TPR analysis. TGA showed that the catalyst Ni/CaMgAl-68 was the most stable during the 20 cycles of carbonation and decarbonation because it had the lowest loss of CO2 uptake capacity. However, Ni/CaMgAl-79 catalyst showed the highest capture capacity after 20 cycles in relation both to mass of catalyst and by mass of CaO. The catalytic tests in the SESRE showed that Ni/CaMgAl-79 catalyst had the best performance since it had the longest high purity hydrogen production time. In the pre-breakthrough period, the H2 mole fractions were close to 90% for all samples during all reaction cycles. Furthermore, the CO2 capture promoted by the sorbent allowed these concentration values to be higher than conventional steam reforming of ethanol, due to the equilibrium shift that favors H2 production. The TGA performed after the reaction cycles also showed that probably the presence of the metal oxides (MgO and Al2O3) in the catalysts minimized the formation of coke on the surface of the catalysts, obtaining average deposition rates of 11.5, 7.4 and 6.2 mgC/gcat/h, for the Ni/Ca, Ni/CaMgAl-79 and Ni/CaMgAl-68 catalysts, respectively. |
Keywords: | catalisadores à base de níquel nickel-based catalysts reforma a vapor de etanol melhorada (RVEM) sorption enhanced steam reforming of ethanol (SESRE) óxido de cálcio calcium oxide óxido de magnésio magnesium oxide óxido de alumínio aluminum oxide hidrogênio de alta pureza high purity hydrogen |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::REATORES QUIMICOS |
Subject: | Engenharia química Hidrogênio como combustível Catalisadores de níquel Álcool Dióxido de carbono |
Language: | eng |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | OLIVEIRA, Cassiano Cunha. Produção de hidrogênio através da reforma a vapor de etanol com captura de dióxido de carbono usando catalisadores bifuncionais à base de níquel e óxido de cálcio dopados com magnésio e alumínio. 2021. 82 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.340. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.340 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37388 |
Date of defense: | 12-Jul-2021 |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Química |
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