بهینه سازی فرایند اکسایش کاتالیستی مونوکسیدکربن به روش سطح پاسخ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز توسعه علوم و فناوری‌های نانو، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

2 پژوهشکده محیط زیست و بیوتکنولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

3 پژوهشکده گاز، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

10.22078/pr.2018.3439.2573

چکیده

هدف از این پژوهش، مدل‌سازی و بهینه کردن پارامترهای عملیاتی موثر در فرایند اکسایش کاتالیستی گاز مونوکسیدکربن با استفاده از کاتالیست 15 درصد وزنی اکسید کبالت- اکسید سریم با نسبت وزنی 5/1 از فلزکبالت به سریم بر پایه نانولوله‌های کربنی چند دیواره به روش برنامه طراحی آزمایش سطح پاسخ است. بدین منظور تعداد سی آزمایش با استفاده از طراحی مرکب مرکزی توسط نرم‌افزار Design Expert 7.0.0 انجام شد که چهار پارامتر آزمایشگاهی دما، غلظت مونوکسیدکربن، غلظت اکسیژن و سرعت فضایی در پنج سطح (2+ ،1+ ،0،1- ،2-) به عنوان متغیرهای مستقل انتخاب شدند. نتایج طراحی آزمایش، حاکی از صحت استفاده از یک معادله درجه دوم بین درصد تبدیل گاز مونوکسیدکربن (متغیر پاسخ) و چهار متغیر مستقل است. داده‌های حاصل از روش سطح پاسخ نشان داد که درصد تبدیل به طور موثری تحت تاثیر متغیرهای دمای فرایند و غلظت گاز اکسیژن در خوراک ورودی است. مقادیر بهینه پارامترهای مورد مطالعه برای رسیدن به درصد تبدیل 100% مونوکسیدکربن به دی‌اکسیدکربن تحت فرایند اکسایش کاتالیستی، بدین قرار است: دما= C°200، غلظت مونوکسیدکربن=ppm 780، غلظت اکسیژن= .%vol 25/5، سرعت فضایی= h-1 10000. آنالیز واریانس نشان داد که ضریب همبستگی بالایی برابر با 9994/0=R2 بین داده‌های آزمایشگاهی و مقادیر پیش‌بینی شده از مدل فرضی برای متغیر پاسخ برقرار بوده که بیانگر صحت استفاده از مدل فرضی برای کاتالیست ساخته شده در محدوده شرایط عملیاتی مورد استفاده است.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of the Catalytic Oxidation of Carbon Monoxide by Response Surface Method

نویسندگان [English]

  • mahnaz pourkhalil 1
  • saeideh Tasharofi 2
  • nosrat izadi 1
  • Ensieh Ganji Babakhani 3
1 Optimization of the Catalytic Oxidation of Carbon monoxide by Response Surface Method
2 Biotechnology and Environment Department, Research and Development of Energy and Environment Research Center, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran
3 Gas Refining Technologies Division, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran
چکیده [English]

The objective of this research is to model and optimize the effective operation parameters of catalytic oxidation of carbon monoxide (CO) using 15 wt.% cobalt-cerium oxide with weight ratio of cobalt to cerium=1.5 supported by multiwalled carbon nanotubes by response surface method. Therefore, 30 sets of experiments were employed to evaluate the influence of the four independent variables including temperature, gas hourly space velocity, O2 concentration, and CO concentration in 5 levels (-2, -1, 0,+1, +2). The experimental design results showed that there is a quadratic model as a functional relationship between CO conversion (response variable) and four independent variables. The data from response surface method explored that CO conversion was highly affected by temperature and O2 concentration. The optimum amounts of the effective parameters for 100% conversion of CO were followed as: temperature= 200 °C, CO concentration =780 ppm, O2 concentration =5.25 vol.%,  and Gas hourly space velocity= 10000 h-1. Analysis of variance with R2 value of 0.9994 showed a satisfactory correlation between the experimental data and predicted values for conversion of carbon monoxide.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Catalytic Oxidative
  • Co3O4-CeO2
  • Multiwalled Carbon Nanotubes
  • Response Surface Method (RSM)
  • Analysis of Variance (ANOVA)

[1]. Chai Sh., Baia X., Li J., Liua Ch., Ding T., Tian Y., Liu Ch., Hui Xianb, Mic W. and Li X., “Effect of phase interaction on catalytic CO oxidation over the SnO2/Al2O3 model catalyst”, App. Sur. Sci.,Vol. 402, pp. 12–20, 2017. ##

[2]. Lv Sh., Xi Gu., Jin Ch., Hao Ch., Wang L., Li J., Zhang Y. and Zhu J. J., “Low-temperature CO oxidation by Co3O4 nanocubes on the surface of Co(OH)2 nanosheets”, Catal. Commun. Vol. 86, pp.100–103, 2016. ##

[3]. Khder A. E. R. S., Ashour Sh. S., Altass H. M. and Khairou K. S, “Pd nanoparticles supported on iron oxide nanorods for CO oxidation: Effect of preparation method”, J. Environ. Chem. Eng. Vol. 4, pp. 4794–4800, 2016. ##

[4]. Dong F., Zhao Y., Han W., H. Zhao, Lu G. and Tang Z., “Co nanoparticles anchoring three dimensional graphene lattice as bifunctional catalyst for low-temperature CO oxidation”, Molecul. Catal., Vol. 439, pp. 118–127, 2017. ##

[5]. Moses-Debusk M., Yoon M., Allard L.F., Mullins D.R., Wu Z., Yang X., Veith G., Stocks G.M. and Narula C. K., “CO oxidation on supported single Pt atoms: experimental and ab initio density functional studies of CO interaction with Pt atom on -Al2O3(010) surface”, J. Am. Chem. Soc., Vol. 135, pp.12634–12645, 2013. ##

[6]. Jung C., Yun J., Qadir K., Naik B., Yun J. and Park J. Y., “Catalytic activity of Pt/SiO2 nanocatalysts synthesized via ultrasonic spray pyrolysis process under CO oxidation”, Appl. Catal. B., Vol. 154, pp. 171–176, 2014. ##

[7]. Blume R., Havecker M., Zafeiratos S., Teschner D., Kleimenov E., Knop-Gericke A., Schlogl R., Barinov A., Dudin P. and Kiskinova M., “Catalytically active states of Ru (0001) catalyst in CO oxidation reaction”, J. Catal. Vol. 239, pp. 354–361, 2006. ##

[8]. Gao F., Wang Y., Cai Y. and Goodman D. W., “CO oxidation over Ru (0001) at near-atmospheric pressures: from chemisorbed oxygen to RuO2”, Surf. Sci., Vol. 603, pp.1126–1134, 2009. ##

[9]. Qiao B., Liang J. X., Wang A., Liu J. and Zhang T., “Single atom gold catalysts for lowtemperature CO oxidation”, Chinese J. Catal.,Vol. 37, pp. 1580–1586, 2016. ##

[10]. Toyoshima R., Yoshida M., Monya Y., Kousa Y., Suzuki K., Abe H., Mun B.S., Mase K., Amemiya K., and Kondoh H., “In situ ambient pressure XPS study of CO oxidation reaction on Pd (111) surfaces”, J. Phys. Chem. C, Vol. 116, pp. 18691–18697, 2012. ##

[11]. Bratan V., Munteanu C., Hornoiu C., Vasile A., Papa F., State R., Preda S., Culita D. and Ionescu N. I., “CO oxidation over Pd supported catalysts -In situ study of the electric and catalytic properties”, App. Catal. B: Environ.Vol. 207, pp. 166–173, 2017. ##

[12]. Chai Sh., Bai X., Li J., Liu C., Ding T., Tian Y., Liu Ch., Xian H., Mi W. and Li X., “Effect of phase interaction on catalytic CO oxidation over the SnO2/Al2O3 model catalyst”, Appl. Surf. Sci., Vol. 402, pp. 12–20, 2017. ##

[13]. Bao H., Zhang W., Hu Q., Jiang Z., Yang J. and Huang W., “Crystal-plane-controlled surface restructuring and catalytic performance of oxide nanocrystals”, Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 50, pp. 12294–12298, 2011. ##

[14]. Xie X., Li Y., Liu Z.Q., Harut M. and Shen W., “Low-temperature oxidation of CO catalyzed by Co3O4 nanorods”, Nature, Vol.458, pp. 746–749, 2009. ##

[15]. Jansson J., Palmqvist A.E.C., Fridell E., Skoglundh M., Osterlund L., Thormahlen P. and Langer V., “On the catalytic activity of Co3O4, in low-temperature CO oxidation”, J. Catal., Vol. 211, pp. 387–397, 2002. ##

[16]. Le M. T., Nguyen T. T., Pham P. T. M., Bruneel E. and Driessche I. V., “Activated MnO2-Co3O4-CeO2 catalysts for the treatment of CO at room temperature”, Appl. Catal. A, Vol. 480, pp. 34–41, 2014.  ##

[17]. Zhou K., Wang R., Xu B., Li Y. and Synthesis, “Characterization and catalytic properties of CuO nanocrystals with various shapes, Nanotechnology”, Vol. 17, pp. 3939–3943, 2006. ##

[18]. Liu X., Liu J., Chang Z., Sun X. and Li Y., “Crystal plane effect of Fe2O3 with various morphologies on CO catalytic oxidation”, Catal. Commun., Vol. 12, pp. 530–534, 2011. ##

[19]. Kim K. and Han J. W., “Mechanistic study for enhanced CO oxidation activity on (Mn, Fe) co-doped CeO2” (111), Catalysis Today, Vol. 293, pp. 82–88, 2016. ##

[20]. Mu G., Liu C., Wei Q. L. and Y. Huang, “Three dimensionallyorderedmacroporousCeO2-ZnO catalysts for enhanced CO oxidation”, Mater. Lett., Vol. 181, pp. 161–164, 2016. ##

[21]. Pourkhalil M., Rashidi A. and Tasharrofi S., “Catalytic oxidation of carbon monoxide on cobalt oxide catalyst supported by oxidized multiwalled carbon nanotubes”, 6th International Conference on Nanostructures (ICNS6) , Kish Island, Iran, 7-10, 2016. ##

[22] Rashidi A., Lotfi R., Fakhrmosavi E. and Zare M., “Production of single-walled carbon nanotubes from methane over Co-Mo/MgO nanocatalyst: A comparative study of fixed and fluidized bed reactors”, J. Nat. Gas Chem., Vol. 20, pp. 372-376, 2011. ##

[23]. Xing Y., Li L., Chusuei C. C. and Hull R. V., “Sonochemical Oxidation of Multiwalled Carbon Nanotubes”, Langmuir, Vol. 21, pp. 4185-4190, 2005. ##

[24] Mazov I., Kuznetsov V. L., Simonova I. A., Stadnichenko A. I., Ishchenko A. V., Romanenko A. I., Tkachev E. N. and Anikeeva O. B., “Oxidation behavior of multiwall carbon nanotubes with different diameters and morphology”, App. Surf. Sci., Vol. 258, pp. 6272-6280, 2012. ##

[25] قربانی م. و باقریان ع .، "بهینه‌سازی جذب سطحی با روش طراحی آزمایش پاسخ سطح برای رنگ آسترازون آبی توسط رزین کوپلیمر استایرن دی وینیل بنزن سولفونه شده"، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، شماره53، صفحات 34-25، 1395. ##

[26]. Tanaka K. i, Shou M. and Yuan Y., “Low temperature PROX reaction of CO catalyzed by Dual functional catalysis of the Pt supported on CNT, CNF, Graphite and amorphous-C with Ni-MgO, Fe and Fe-Al2O3”, J. Phys. Chem. C, Vol. 114, pp. 16917–16923, 2010.  ##

[27]. Lu C. Y. and Wey M. Y., “The performance of CNT as catalyst support on CO oxidation at low temperature”, Fuel, Vol. 86, pp. 1153–1161, 2007. ##