Tandem Katalizör, Plastik Üretiminde Enerji Verimliliğini Arttırabilir
Fotoğraf: Tandem katalizör modelleri- mikro gözenekli ln2O3, seçici H2 yanma katalizörü ve propan dehidrojenasyon katalizörü.
Northwestern Üniversitesi’ndeki mühendislik araştırmacıları, daha az enerji kullanarak yüksek oranda propilen verimi ile sonuçlanan kimyasal katalize karşı yeni bir yaklaşım sergilediler. Elde edilen sonuçlar, birçok plastik için daha enerji verimli üretim proseslerini destekleyebilir.
En yüksek hacimli kimyasal ürünlerden biri olan propilen, her yıl 100 milyar dolar değerinden fazla üretilmekte ve esas olarak otomobil parçalarındaki plastik enjeksiyon kalıplarından tüketici ürünlerine kadar çeşitli malzemeler için kullanılan polipropilen üretiminde kullanılmaktadır. Diğer bir yandan, propilen üretmek için yoğun enerji gereklidir. Propan gazı yaklaşık 800 °C sıcaklıkta propilene dönüştürülür.
Oksidatif dehidrojenasyon adı verilen teknik, yüksek sıcaklık koşulları olmaksızın propandan propilen elde etmenin alternatif bir yolu olarak uzun süredir çalışılmaktadır. Bu yaklaşımda, propan ve oksijen bir katalizör üzerinde reaksiyona girer ve sonucunda propilen ve su üretilir. Fakat, propilen propana kıyasla oksijene karşı daha reaktif olduğu için, reaksiyon genellikle az miktarda propilen verir.
McCormick Mühendislik Okulu kimya ve biyoloji mühendisliği profesörü ve araştırmanın ortak yazarı olan Justin Notestein, bu konu ile alakalı “Reaksiyon işe yarıyor, ancak evde yemek pişirmek için gazlı ızgarayı açtığınızda olduğu gibi propilen üretmiyorsunuz, sadece propan yakıyorsunuz. Doğru katalizörü aramak yerine, oksidatif dehidrojenasyon reaksiyonunu iki bileşene (dehidrojenasyon ve seçici hidrojen yanması) indirgedik ve ardından her iki reaksiyonu da belirli bir sırayla gerçekleştiren tandem bir malzeme tasarladık. Bu, şimdiye kadar bildirilen en yüksek propilen verimini sağladı.” dedi.
“Tandem In2O3-Pt / Al2O3 Catalyst for Coupling of Propane Dehydrogenation to Selective H2 Combustion” başlıklı makale, 19 Mart’ta Science dergisinde yayınlandı. Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde kimya profesörü olan Peter Stair, makalenin diğer eş yazarı oldu.
Yeni yaklaşımda, araştırmacılar nano ölçekli yakınlığa sahip iki katalizör tasarladı: ilki propilen elde etmek için hidrojeni propandan seçici olarak ayıran platin bazlı bir katalizör, diğeri ise hidrojeni seçici olarak yakan ancak propan veya propileni yakmayan indiyum oksit bazlı bir katalizördü.
Notestein, “Nano yapının gerçekten önemli olduğunu gördük. Platin üzerindeki indiyum oksit harika çalışırken, indiyum oksit üzerindeki platin işe yaramıyor ve platin fiziksel olarak indiyum oksit ile birleşmiyor. Bu nanoyapı, her iki katalizörün her iki reaksiyonu da gerçekleştirebilmesine rağmen, reaksiyonları ayırıp sıralayabilir. Bu organizasyon biyolojide yaygındır, ancak insan yapımı malzemelerde çok nadirdir.” dedi.
Ekibin analizleri, propilen üretmek için propan veriminde kayda değer gelişmeler gösterdi. 450 °C sıcaklıkta reaktörden tek bir geçişte %30 verim üretilirken, propan içindeki karbon atomlarının %75’inden fazlasının propilen haline gelmesi sağlandı. Karşılaştırmak gerekirse, oksijen olmadan propan ısıtılırken %24’ün üzerinde verim elde etmek imkansızdır ve gerekli katalizörler genellikle kararsızdır.
Notestein, “Hiç kimse bu termodinamik sınırları aşan bir verim göstermedi. Yararlı bir bakış açısından, sonuçlarımız sadece dehidrojenasyon yapmak yerine, bu reaksiyonu oksidatif olarak yapmaya çalışmayı gerçekten haklı gösteren ilk sonuçlardan bazıları.” dedi.
Sistemin basit tasarımı, reaktör koşullarının ayarlanması ve iki katalizör bileşeninin değişimiyle daha da optimize edilebilir. Mevcut yöntemler, daha yüksek verim elde etmek için daha karmaşık ve pahalı mühendislik çözümleri gerektirir.
“Mühendisliğin kanıtlanmış tasarım-inşa-test döngülerine güvendiğimizden, ek iyileştirmeler olabilir. Bu sonuçlar bize yüksek performanslı katalizör sistemleri arayışında deneyebileceğimiz yeni bileşimler ve rasyonel stratejiler sağlıyor. Bu, özellikle enerji tüketiminin çok önemli olduğu ve mevcut mühendislik stratejilerinin uygulanabilir olmadığı daha küçük kimya fabrikalarına fayda sağlayabilir.” diyen Notestein, ekibin yaklaşımının, çalışmayı finanse eden National Science Foundation’s Center for Innovative and Strategic Transformation of Alkane Resources (CISTAR) kurumunun daha büyük çabalarını yansıttığını da sözlerine ekledi.
Sonuçlar ayrıca yapı ve malzeme uygulamalarında kullanılan birçok plastiğin üretimindeki enerji verimliliğini daha da artırabilir. Örneğin, arabalardaki plastik parçalar araçları ağırlık açısından daha hafif ve enerji açısından daha verimli hale getirirken, polimer dış cephe kaplamaları da daha dayanıklıdır ve evleri sıcak ve kuru tutmaya yardımcı olur.
“Plastikler, toplumu daha enerji verimli hale getirme çabaları da dahil olmak üzere modern toplum için çok önemlidir. Bu yeni yaklaşımı kullanarak propilen ve polipropilen gibi malzemeleri üretmek çok daha az enerji gerektirebilir ve bu da herkes için iyi bir haber olabilir.”
Kaynak: mccormick.northwestern.edu
