SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati,Mohammad Reza Ehsani
محمدحسین عنایتی (استاد مشاور) محمدرضا احسانی (استاد راهنما)
STUDENT
Sina Esfandiar Pour
سینا اسفندیارپور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Investigation of Adsorption of SO2 by Mixed Nano Metal Oxides Adsorbent Based on Nano Titanium Dioxide (TiO2)
Sulfur dioxide is one hazardous pollutants in oil and gas industries. Health, financial and environmental damages can be caused by release of this pollutant in the air. Therefore, in recent years, lots of environmental limitations have been determined by environmental communities to reduce the emission of this pollutant. Based on the above, the purpose of this study is adsorption and separation of sulfur dioxide by mixed nano CuO-Fe 2 O 3 solid sorbents based on nano TiO 2 . Sorbents were prepared by deposition/precipitation method and adsorption tests were carried out at laboratory fixed bed reactor. Selected effective parameters were chosen for sulfur dioxide adsorption, temperature, pollutant inlet concentration and sorbent type (difference in percentage of nano metal oxide loading). By using design of expert and taguchi method, experimental conditions were chosen to save time and costs. Based on isotherms that gained from adsorption performance of each adsorbent fixed bed, adsorption capacity of pollutant was calculated by integration method and was used as result to analyze with calculating software (Qualitek). Among all parameters, temperature was the most effective one. Sorbent containing 15% nano CuO- 10% nano Fe 2 O 3 and sorbents containing 17% nano CuO- 8% nano Fe 2 O 3 (in the nano CuO range of loading from 10%-22% wt. and nano Fe 2 O 3 range of loading from 15%-3% wt.), had the most adsorption capacity in the concentration range of 10,000-30,000 ppm and temperature range of 250-350 °C. Adsorption capacity of these sorbents were 63.12 mg/ (g sorbent) and 65 mg/ (g sorbent) respectively in 10,000 ppm and 350 °C. Looking to BET analysis result, specific surface area for both adsorbents are 70 and 72 m 2 /g. BJH analysis results showed maximum pore size distribution around 10 nm for adsorbent containing 17% nano CuO- 8% nano Fe 2 O 3. Considering approximately same surface area of sorbents and basing on adsorption capacities, it can be claimed that at 17% loading of n-CuO and 8% loading of n-Fe2O3 simultaneous effect of nano metal oxides were more effective.Considering to FE-SEM images, no agglomeration happened during sorbents preparation to nano metal oxide particles. Minimum size of particles for sorbent containing 15% nano CuO- 10% nano Fe 2 O 3 and sorbent containing 17% nano CuO- 8% nano Fe 2 O 3 stayed at about 23 to 50 nm and their appearance are uniform. XRD patterns showed no metal oxide spinel production due to heating operations and sorbent preparation. Moreover, same patterns yielded for both sorbents. Nano sorbents adsorption capacities were in the range of CuO/Al 2 O 3 sorbent adsorption capacity (with 250 to 300 m 2 /g specific surface area) which investigated by other researchers. Therefore, with surface reformation, granulation, sorbent strength analysis and durability analysis, it is expectable that these sorbents (as an alternative approach to amine based operations that consumed significantly amount of water and cause environmental and financial difficulties) can be used in pilot purposes. Keywords: Sulfur dioxide, Nano metal oxides, Chemisorption, Deposition/Precipitation
دی اکسید گوگرد یکی از آلایندههای آسیبرسان موجود در صنایع نفتو گاز است. همچنین این آلاینده با ورود به هوا میتواند موجب خسارتهای جانی، مالی و محیط زیستی فراوانی شود. از این رو طی سالهای اخیر از طرف انجمنهای محیط زیستی محدودیتهای بسیار زیادی برای میزان ورود این آلاینده به اتمسفر تعیین شده است. در این راستا هدف از انجام این پروژه بررسی جذب این آلاینده با استفاده از جاذب جامد ترکیبی نانو اکسید مس و آهن بر پایه نانو دی اکسید تیتانیوم میباشد. جاذبها با استفاده از روش رسوبدهی/تهنشینی ساخته شده و عملیات جذب توسط ستون جذب بستر ساکن انجام شده است. پارامترهای تاثیرگذار تعیین شده بر روی میزان جذب دی اکسید گوگرد به ترتیب دما، غلظت ورودی آلاینده و نوع جاذب از نظر تفاوت در درصد نانو اکسید فلزی استفاده شده، در نظر گرفته شد. با استفاده از طراحی آزمایش (بهرهگیری از روش تاگوچی)، شرایط هر یک از آزمایشها برای صرفهجویی در زمان و هزینه تعیین شد. بر اساس ایزوترمهای حاصل از جذب بستر هر یک از جاذبها، میزان جذب آلاینده با استفاده از روش انتگرالگیری تعیین و به عنوان دادههای حاصل از هر آزمایش توسط نرمافزارهای محاسباتی (Qualitek)، مورد تحلیل قرار گرفت. در این میان دما با بیشترین سهم اثرگذاری مهمترین پارامتر برای میزان جذب آلاینده تشخیص داده شد.جاذب شامل 15% نانو اکسید مس و 10% نانو اکسید آهن و جاذب با 17% نانو اکسید مس و 8% نانو اکسید آهن دارای بیشترین میزان جذب (در محدوده بارگذاری نانو اکسید مس از 10% تا 22% وزنی و محدوده بارگذاری نانو اکسید آهن از 15% تا 3% وزنی به صورت ترکیبی)، در محدوده غلظتی 10000 تا 30000 ppm و محدوده دمایی 250 تا 350 درجه سانتیگراد، بودهاند.بیشترین میزان جذب این دو جاذب به ترتیب در حدود 12/63 میلیگرم دی اکسید گوگرد بر گرم جاذب و65 میلیگرم دی اکسید گوگرد بر گرم جاذب در غلظت 10000 ppm و دمای 350 درجه سانتیگرادبوده است. با انجام آزمون BET برای هر دو جاذب، میزان سطح ویژه هر یک از جاذبها به ترتیب 70 و 72 متر مربع بر گرم جاذب بوده است. با انجام آزمون BJH، بیشینه توزیع اندازه حفره برای جاذب 17% نانو اکسید مس و 8% نانو اکسید آهن در 10 نانومتر بوده است. از آنجایی که سطح دو جاذب تقریبا برابر میباشد، میتوان با تکیه بر میزان جذب کلیه جاذبها، نتیجه گرفت که در غلظت بالاتر از نانو اکسید مس تا 17% و غلظت پایینتر از نانو اکسید آهن تا 8%، میزان اثرگذاری توام اکسیدهای فلزی افزایش یافته است. نتایج حاصل از آنالیز FE-SEM گواه از عدم تجمع و تشکیل ذرات بزرگتر، باقیماندن ذرات در اندازه نانو (زیر 50 نانومتر، با کوچکترین اندازه حدود 20 نانومتر) برای هر دو جاذب شامل 15% نانو اکسید مس و 10% نانو اکسید آهن و جاذب با 17% نانو اکسید مس و 8% نانو اکسید آهن را دارند. آزمون XRD نشان میدهد که ترکیب پیچیدهتری از اکسیدهای فلزی در اثر عملیاتهای حرارتی در حین آمادهسازی جاذب تولید نشده است و الگوهای جاذبها یکسان بوده است. نتایج حاصل از جذب نانو جاذبهای ساخته شدهبا میزان جذب جاذبهای CuO/Al 2 O 3 با سطح ویژه در حدود (250 تا 300 مترمربع) که در پژوهشهای مختلفی مورد مطالعه قرار گرفته یکسان بوده است. این امر گواه از این دارد که با اصلاح سطح این جاذبها، گرانولسازی و بررسی آزمونهایی مانند استحکام جاذب و دورهپذیری در سیکلهای متعدد، بتوان از این جاذبها در مقیاس نیمه صنعتی (جهت تبدیل به روشی جایگزین برای حذف آلاینده توسط محلول آمین که مصرف آب بالا و مشکلات محیط زیستی و اقتصادی بالایی دارد) استفاده برد. کلمات کلیدی: دی اکسید گوگرد ، نانو اکسیدهای فلزی، جذب شیمیایی، تهنشینی/رسوبدهی