Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Effect of a cerium addition method on the activity of cobalt catalysts in ammonia synthesis process

Małgorzata Wyszyńska

Abstract

Because of the large variety of applications, ammonia is one of a compound which are produced in the largest scale in the chemical industry. It is used for the production of mineral fertilizers, explosives and urea, among others. Ammonia synthesis from gaseous reactants is a catalytic process. Currently, in industrial ammonia synthesis reactors the fused iron catalyst (KM 1) and the ruthenium catalyst are commonly used. The disadvantages of both these catalysts caused start of the research of new contacts. The cobalt systems promoted with cerium and barium have proven to be very promising. The objective of the study was to determine the effect of a promoter (cerium) addition method on the properties and activity of cobalt catalysts in ammonia synthesis. For this purpose three unsupported cobalt catalysts were synthesized and promoted with cerium by: co-precipitation method, in which precursors of an active phase and a promoter were precipitated together from aqueous solutions (Co/Ce/Ba(WS)), by incipient wetness impregnation (Co/Ce/Ba(IK)) and by wet impregnation (Co/Ce/Ba(IW)). On selected stages of a preparation, the following tests characterizing catalyst precursors (a mixture of Co3O4/CeO2 oxides) were conducted: thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry (TG-MS) and physisorption of nitrogen. Properties of the catalysts in the reduced form (Co/Ce/Ba) were determined by using temperature-programmed desorption of hydrogen (TPD-H2) and scanning electron microscopy combined with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). The activity of catalysts were tested under conditions similar to industrial conditions of ammonia synthesis (T = 370-430°C, 6,3MPa, H2:N2 = 3:1). The results of TG-MS analysis allowed to determine the chemical composition of the obtained catalyst precursors. By using three different methods of promoting with cerium, precursors of a similar composition, close to a pre-established (approx. 18 wt.% CeO2 in the mixture of Co3O4/CeO2) were obtained. A method of cerium addition has a significant impact on textural properties of the obtained catalyst precursors. A co-precipitation method allowed to obtain a precursor with a higher total specific surface area and larger pore volume compared to pure cobalt oxide (Co3O4). This effect was not seen for the contacts with cerium promoter added using impregnation methods. Hydrogen chemisorption measurements showed that despite the various impregnation methods used, the surface of the active phase (cobalt) and the average size of Co crystallites do not differ significantly in obtained catalysts. These results confirmed the SEM-EDS images, which also showed no significant differences in the surface of the studied catalysts. A method of cerium addition has a significant effect on the activity of cobalt catalysts in NH3 synthesis. Among the preparated catalysts, the contact obtained by co-precipitation had the highest activity, approx. 25% higher than the activity of the industrial iron catalyst. Other used methods have proved less effective - the activity of systems, in which cerium was introduced by incipient wetness impregnation and by wet impregnation, were much lower than the activity of the obtained by co-precipitation.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Małgorzata Wyszyńska (FC) Małgorzata Wyszyńska,, Faculty of Chemistry (FC)
Title in Polish
Wpływ sposobu wprowadzania promotora cerowego do układów kobaltowych na ich aktywność katalityczną w reakcji syntezy amoniaku
Supervisor
Wioletta Raróg-Pilecka (FC/CChT) Wioletta Raróg-Pilecka,, Chair of Chemical Technology (FC/CChT)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Chair of Chemical Technology (FC/CChT)
Study subject / specialization
, Technologia Chemiczna
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
04-02-2016
Issue date (year)
2016
Reviewers
Aldona Zalewska (FC/CofIC) Aldona Zalewska,, Chair Of Inorganic Chemistry (FC/CofIC)Faculty of Chemistry (FC) Wioletta Raróg-Pilecka (FC/CChT) Wioletta Raróg-Pilecka,, Chair of Chemical Technology (FC/CChT)Faculty of Chemistry (FC)
Keywords in Polish
Synteza amoniaku, katalizator kobaltowy, promotor cerowy, współstrącanie, impregnacja kapilarna, impregnacja z wyparki
Keywords in English
Ammonia synthesis, cobalt catalyst, cerium promoter, co-precipitation, incipient wetness impregnation, wet impregnation
Abstract in Polish
Ze względu na szeroką gamę zastosowań amoniak należy do związków produkowanych w największych ilościach w przemyśle chemicznym. Jest on wykorzystywany do produkcji m.in. nawozów mineralnych, materiałów wybuchowych i mocznika. Proces syntezy amoniaku z gazowych reagentów jest procesem katalitycznym. Obecnie w przemysłowych zakładach syntezy amoniaku wykorzystywane są dwa katalizatory: stopowy katalizator żelazowy oraz katalizator rutenowy. Wady obu tych katalizatorów sprawiają, że prowadzone są badania nad nowymi kontaktami. Bardzo obiecujące okazały się układy kobaltowe promowane cerem oraz barem. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu metody wprowadzania promotora cerowego na właściwości i aktywność katalizatora kobaltowego w syntezie amoniaku. Spreparowano trzy beznośnikowe katalizatory kobaltowe, do których promotor cerowy wprowadzano na trzy różne sposoby: poprzez współstrącanie razem z prekursorem fazy aktywnej(Co/Ce/Ba (WS)), poprzez impregnację kapilarną (Co/Ce/Ba (IK)) oraz poprzez impregnację z wyparki (Co/Ce/Ba (IW)). Na wybranych etapach preparatyki przeprowadzono następujące badania charakteryzujące prekursory katalizatorów (w formie tlenkowej): analizę termograwimetryczną sprzężoną ze spektrometrią mas (TG-MS) oraz pomiar fizysorpcji azotu. Właściwości katalizatorów w formie zredukowanej określono przy pomocy temperaturowo-programowanej desorpcji wodoru (TPD-H2) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej z mikroanalizą rentgenowską (SEM-EDS). Aktywność otrzymanych katalizatorów w reakcji syntezy amoniaku zbadano w warunkach zbliżonych do warunków przemysłowych (370oC-430 oC, 6,3 MPa, H2:N2 = 3:1). Badania TG-MS umożliwiły wyznaczenie składu chemicznego otrzymanych prekursorów katalizatorów. Wykorzystując trzy różne metody preparatyki otrzymano prekursory o podobnym składzie, zbliżonym do wstępnie założonego (ok. 18%wag. CeO2 w mieszaninie Co3O4/CeO2). Metoda wprowadzania promotora cerowego wywiera istotny wpływ na właściwości teksturalne otrzymanych prekursorów katalizatorów. Metoda współstrącania pozwoliła uzyskać prekursor o wyższej całkowitej powierzchni właściwej oraz większej całkowitej objętości porów w porównaniu do czystego tlenku kobaltu. Efekt ten nie był widoczny dla prekursorów promowanych cerem otrzymanych przy wykorzystaniu metod impregnacyjnych. Pomiary chemisorpcji wodoru wykazały, że mimo zastosowania różnych metod wprowadzania ceru, powierzchnia fazy aktywnej (kobaltu) oraz średni wymiar jego krystalitów nie różnią się w sposób znaczący. Wyniki te potwierdziły obrazy SEM-EDS, które także nie wykazały istotnych różnic w powierzchni katalizatorów. Metoda wprowadzania promotora cerowego ma znaczący wpływ na aktywność katalizatorów kobaltowych w reakcji syntezy amoniaku. Spośród spreparowanych katalizatorów, układ otrzymany metodą współstrącania charakteryzował się najwyższą aktywnością, o ok. 25% wyższą od aktywności przemysłowego katalizatora żelazowego. Pozostałe zastosowane techniki okazały się mniej skuteczne – aktywność układów, w których cer wprowadzany był poprzez impregnację kapilarną oraz impregnację z wyparki były znacznie niższa niż aktywność układu, w którym cer wprowadzono poprzez współstrącanie.
File
  • File: 1
    Praca.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 9482

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTeedf4e02c84e4ec891bb04c020b7601e/
URN
urn:pw-repo:WUTeedf4e02c84e4ec891bb04c020b7601e

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page