Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Низкотемпературное парциальное окисление этанола на катализаторе Ni/ZnO

https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.16-18.27-36

Полный текст:

Аннотация

Исследован процесс парциального окисления этанола в кварцевом микрореакторе при атмосферном давлении в области температур 300–450 °С на никелевом катализаторе (20 мас %), нанесенном на оксид цинка. Ректификат этанола (азеотропная смесь состава 95,6 мас.% этанола и 4,4 мас.% воды) подавался в реактор со скоростью 0,4–1,3 г/час перистальтическим насосом сначала в испаритель, а затем в виде газовой фазы – в реактор. В качестве источника кислорода использовали воздух, который подавался воздушным насосом в реактор, и его поток регулировался ротаметром, чтобы молярное соотношение «кислород – этанол» изменялось в интервале 0,45–2,0. Никелевый катализатор приготовлялся пропиткой промышленного порошка оксида цинка нитратом никеля с последующим прокаливанием и восстановлением оксида никеля до металлического никеля. Анализ газообразных продуктов осуществляли на газовом хроматографе «Цвет-500», детектор – катарометр.

Показано, что разработанный ранее катализатор Ni/ZnO имеет высокую эффективность при парциальном окислении этанола в области низких температур. Основными продуктами этого процесса являются водород, метан, монооксид и диоксид углерода. С увеличением молярного соотношения «кислород – этанол», содержание водорода в продуктах процесса уменьшается (от 60 об.% до 25 об.%), а двуокиси углерода, наоборот, увеличивается (от 26 об.% до 65 об.%). Выход водорода составлял при температуре 450 °С 1 моль на 1 моль этанола.

Монооксид углерода наблюдается при малом соотношении «кислород – этанол» (до 0,85). Установлено, что при большем соотношении монооксид углерода отсутствует во всей исследованной области температур. Конверсия этанола протекает интенсивно, и уже при температуре 450 °С этанол конверсирован практически полностью. Большое содержание метана (20–30 об.%) в продуктах реформинга указывает на то, что начальной стадией процесса является окисление этанола с последующим разложением образующегося ацетальдегида на метан и монооксид углерода. Незначительное содержание воды в питающей смеси приводит к практически полному отсутствию шифт-реакции, при этом моноокись углерода окисляется кислородом до двуокиси углерода. Пониженное содержание метана в сравнении с процессом водно-парового реформинга этанола может быть объяснено частичным его окислением до двуокиси углерода, о чем свидетельствует высокое содержание последнего в продуктах реформинга. 

Об авторах

Н. В. Лапин
ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН)
Россия

канд. техн. наук, ст. научный сотрудник,

д. 6, ул. Академика Осипьяна, г. Черноголовка, Московская обл., 142432



В. В. Гринько
ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН)
Россия

канд. хим. наук, мл. научный сотрудник,

д. 6, ул. Академика Осипьяна, г. Черноголовка, Московская обл., 142432



В. С. Бежок
ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН)
Россия

мл. научный сотрудник,

д. 6, ул. Академика Осипьяна, г. Черноголовка, Московская обл., 142432



А. Ф. Вяткин
ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН)
Россия

д-р физ.-мат. наук, профессор, зам. директора,

д. 6, ул. Академика Осипьяна, г. Черноголовка, Московская обл., 142432



Список литературы

1. Edwards, P.P. Hydrogen and fuel cells: Towards a sustainable energy future / P.P. Edwards [et al.] // Energy Policy. – 2008. – Vol. 36. – N. 12. – P. 4356–4362.

2. Frusteri, F. Hydrogen production by reforming of bio-alcohols / F. Frusteri, G. Bonura // Compendium of Hydrogen Energy. – Woodhead Publishing, 2015. – P. 109–136.

3. Llorca, J. Hydrogen from Bioethanol / J. Llorca [et al.]. – Renewable Hydrogen Technologies. – Elsevier Science, 2013. – P. 135–169.

4. Contreras, J.L. Catalysts for H2 production using the ethanol steam reforming (a review) / J.L. Contreras [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2014. – Vol. 39. – No. 33. – P. 18835–18853.

5. Hou, T. Hydrogen production from ethanol reforming: Catalysts and reaction mechanism / T. Hou [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 44. – P. 132–148.

6. Nikolaidis, P. A comparative over view of hydrogen production processes / P. Nikolaidis, A. Poullikkas // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 67. – P. 597–611.

7. Khila, Z. A comparative study on energetic and exergetic assessment of hydrogen production from bioethanol via steam reforming, partial oxidation and autothermal reforming processes / Z. Khila [et al.] // Fuel Processing Technology. – 2013. – Vol. 112. – P. 19–27.

8. Schmal, M.Drifts and TPD Analyses of Ethanol on Pt Catalysts Over Al2O3 and ZrO2—Partial Oxidation of Ethanol / M. Schmal [et al.] // Can. J. Chem. Eng. – 2011. – Vol. 89. – No. 5. – P. 1166–1175.

9. Lima, S.M. de Steam reforming, partial oxidation, and oxidative steam reforming of ethanol over Pt/CeZrO2 catalyst / S.M. de Lima [et al.] // J. of Catalysis. – 2008. – Vol. 257. – No. 2. – P. 356–368.

10. Salge, J.R. Catalytic partial oxidation of ethanol over noble metal catalysts / J.R. Salge [et al.] // J. of Catalysis. – 2005. – Vol. 235. – No. 1. – P. 69–78.

11. Tóth, M. Partial oxidation of ethanol on supported Rh catalysts: Effect of the oxide support / M. Tóth [et al.] // J. of Molecular Catalysis A: Chemical. – 2016. – Vol. 411. – P. 377–387.

12. Hebben, N. Catalytic partial oxidation of ethanol on alumina-supported rhodium catalysts: An experimental study / N. Hebben [et al.] // Applied Catalysis A: General. – 2010. – Vol. 388. – No. 1/2. – P. 225–231.

13. Iulianelli, A. Partial oxidation of ethanol in a membrane reactor for high purity hydrogen production / A. Iulianelli [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2010. – Vol. 35. – No. 22. – P. 12626–12634.

14. Koehle, M. Microkinetic modeling and analysis of ethanol partial oxidation and reforming reaction pathways on platinum at short contact times / M. Koehle, A. Mhadeshwar // Chem. Eng. Sci. – 2012. – Vol. 78. – P. 209–225.

15. Al-Hamamre, Z. Hydrogen production by thermal partial oxidation of ethanol: Thermodynamics and kinetics study / Z. Al-Hamamre, M.A. Hararah // Int. J. Hydrogen Energy. – 2010. – Vol. 35. – N. 11. – P. 5367–5377.

16. Wang, W. Thermodynamic analysis of hydrogen production via partial oxidation of ethanol / W. Wang, Y. Wang // Int. J. Hydrogen Energy. – 2008. – Vol. 33. – No. 19. – P. 5035–5044.

17. Guarido, C.E.M. Ethanol reforming and partial oxidation with Cu/Nb2O5 catalyst / C.E.M. Guarido [et al.] // Catalysis Today. – 2009. – Vol. 142. – No. 3/4. – P. 252–257.

18. Rodrigues, C.P. Nickel-alumina washcoating on monoliths for the partial oxidation of ethanol to hydrogen production / C.P. Rodrigues, M. Schmal // Int. J. Hydrogen Energy. – 2011. – Vol. 36. – No. 17. – P. 10709–10718.

19. Kraleva, E. Support effects on the properties of Co and Ni catalysts for the hydrogen production from bio-ethanol partial oxidation / E. Kraleva [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – No. 11. – P. 4380–4388.

20. Rodrigues, C.P. Partial oxidation of ethanol over cobalt oxide based cordierite monolith catalyst / C.P. Rodrigues [et al.] // Applied Catalysis B: Environmental. – 2010. – Vol. 96. – No. 1/2. – P. 1–9.

21. Kraleva, E. Catalytic performance of CoAlZn and NiAlZn mixed oxides in hydrogen production by bioethanol partial oxidation / E. Kraleva [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2014. – Vol. 39. – No. 1. – P. 209–220.

22. Gómez-Cuaspud, J.A. Effect of metal oxides concentration over supported cordierite monoliths on the partial oxidation of ethanol / J.A. Gómez-Cuaspud, M. Schmal // Applied Catalysis B: Environmental. – 2014. – Vol. 148. – P. 1–10.

23. Carotenuto, G. Hydrogen production by ethanol decomposition and partial oxidation over copper/copper-chromite based catalysts prepared by combustion synthesis / G. Carotenuto [et al.] // Catalysis Today. – 2013. – Vol. 203. – P. 163–175.

24. Rodrigues, C.P. Structured Reactors as an Alternative to Fixed-bed Reactors: Influenceof catalyst preparation methodology on the partial oxidation of ethanol / C.P. Rodrigues [et al.] // Catalysis Today. – 2016. – Vol. 273. – P. 12–24.

25. Hidalgo, J.M. (V)/Hydrotalcite, (V)/Al2O3, (V)/TiO2 and (V)/SBA-15 catalysts for the partial oxidation of ethanol to acetaldehyde / J.M. Hidalgo [et al.] // J. of Molecular Catalysis A: Chemical. – 2016. – Vol. 420. – P. 178–189.

26. Behravesh, E. Experimental and modelling study of partial oxidation of ethanol in a micro-reactor using gold nanoparticles as the catalyst / E. Behravesh [et al.] // Chem. Eng. Sci. – 2018. – Vol. 176. – P. 421–428.

27. Alberton, A.L. Carbon formation and its influence on ethanol steam reforming over Ni/Al2O3 catalysts / A.L. Alberton [et al.] // Catalysis Today. – 2007. – Vol. 123. – No. 1/4. – P. 257–267.

28. Homs, N. Low-temperature steam-reforming of ethanol over ZnO-supported Ni and Cu catalysts The effect of nickel and copper addition to ZnO-supported cobalt-based catalysts / N. Homs [et al.] // Catalysis Today. – 2006. – Vol. 116. – No. 3. – P. 361–366.

29. Noronha, F.B. The role of Ni on the performance of automotive catalysts: evaluating the ethanol oxidation reaction / F.B. Noronha [et al.] // Catalysis Today. – 2003. – Vol. 85. – No. 1. – P. 13–21.

30. Lima, S.M. de Study of catalyst deactivation and reaction mechanism of steam reforming, partial oxi dation, and oxidative steam reforming of ethanol over Co/CeO2 catalyst / S.M. de Lima [et al.] // J. of Catalysis. – 2009. – Vol. 268. – No. 2. – P. 268–281.

31. Llorca, J. CO-free hydrogen from steamreforming of bioethanol over ZnO-supported cobalt catalysts: Effect of the metallic precursor / J. Llorca [et al.] // Applied Catalysis B: Environmental. – 2003. – Vol. 43. – No. 4. – P. 355–369.

32. Лапин, Н.В. Получение водорода каталитическим пиролизом этанола на никелевом катализаторе / Н.В. Лапин [et al.] // ЖФХ. – 2009. – Т. 83. – No. 10. – С. 1–5.

33. Лапин, Н.В. Низкотемпературный реформинг этанола на никель-медном катализаторе / Н.В. Лапин, В.С. Бежок // ЖПХ. – 2011. – Т. 84. – No. 6. – С. 983–987.

34. Лапин, Н.В. Получение водорода для питания топливных элементов низкотемпературной конверсией этанола на катализаторах Ni/ZnO и NiCu/ZnO / Н.В. Лапин [et al.] // ЖПХ. – 2014. – Т. 87. – No. 5. – С. 619–623.

35. Лапин, Н.В.Выбор носителя катализатора для снижения содержания моноокиси углерода при реформинге этанола / Н.В. Лапин [et al.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – Т. 185. – № 21. – С. 216–221.

36. Гринько, В.В. Низкотемпературная воднопаровая конверсия этанола на катализаторе Ni/ZnO в микроканальном реакторе / В.В. Гринько [et al.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – Т. 203. – № 15–18. – С. 112–121.

37. Лапин, Н.В. Получение водорода низкотемпературным окислительным водно-паровым реформингом этанола на катализаторе Ni/ZnO / Н.В. Лапин [et al.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – Т. 291–293. – № 7–9. – С. 62–72.


Для цитирования:


Лапин Н.В., Гринько В.В., Бежок В.С., Вяткин А.Ф. Низкотемпературное парциальное окисление этанола на катализаторе Ni/ZnO. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2019;(16-18):27-36. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.16-18.27-36

For citation:


Lapin N.V., Grinko V.V., Bezhok V.S., Vyatkin A.F. Low-temperature partial oxidation of ethanol on Ni/ZnO catalyst. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2019;(16-18):27-36. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.16-18.27-36

Просмотров: 132


ISSN 1608-8298 (Print)