Direct synthesis of dimethyl ether from carbon dioxide on a physical mixture of CuO-ZnO-Al2O3 and MCM-41-supported tungstophosphoric acid

Karbon dioksit (CO2) doğal karbon döngüsünde önemli bir rol oynamaktadır. Ancak, CO2 emisyonlarındaki artış, 'sera etkisi' denilen küresel ısınmaya ve iklim değişikliğine neden olmaktadır. Bu nedenle, CO2'in alternatif yakıtlara ve katma değeri yüksek kimyasallara geri dönüşümü bu çevresel kaygılar için ileriye dönük bir çözüm sunmakla birlikte sürdürülebilir gelecek için yeni fırsatlar da sunmaktadır. Bu kapsamda CO2'in sıvı yakıtlara dönüşümü umut verici bir yaklaşımdır. Bu yöndeki ilk çalışmalar metanol sentezi üzerine gerçekleştirilmiştir. Yakın zamanda metanolün hibrit sistemler kullanılarak olefinlere, aromatiklere, yüksek hidrokarbonlara ve dimetil etere (DME) dönüşümü üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Bu ürünler arasında DME hem alternatif bir yakıt hem de yüksek katma değerli kimyasallar üretmek için bir ara ürün olarak kullanılması büyük bir avantaj sunmaktadır. C-C bağı olmayan bu en basit eter, renksiz, toksik olmayan çevre dostu bir üründür. Benzer fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle, sıvı petrol gazı (LPG) katkı malzemesi olarak kullanılma potansiyeline sahiptir. Ayrıca, yüksek setan sayısı, daha fazla yanma ve SOx, NOx gibi düşük toksik gaz emisyonları gibi özellikleri nedeniyle gelecekte kullanılabilecek sentetik bir yakıt olarak kabul edilmektedir. Bu tez çalışmasında, CO2'in DME'e dönüştürülmesi için etkili bir katalizör sistemi geliştirilmiştir. Bu amaçla, MCM-41 destekli tungstofosforik asit (TPA) ve ticari CuO-ZnO-Al2O3 metanol sentezi katalizörü ile fiziksel olarak karıştırılıp tek geçişli bir akış reaktöründe en yüksek DME üretim hızı için karışım oranları ve reaksiyon koşulları optimize edilmiştir. Elde edilen veriler ile en yüksek DME üretim hızının elde edilmesi için TPA/MCM-41 asit katalizöründe ağırlıkça %60'lık bir TPA yüklemesi ile 4:1'lik bir CuO-ZnO-Al2O3:TPA / MCM-41 fiziksel karışım oranında elde edilmesi gerektiği ve bu katalizörün 250 °C ve 45 bar altında H2:CO2 3:1 besleme oranı ile 40 000 mL CO2 gcat-1 saat-1 akış test koşulları altında gerçekleştirilmesi gerektiği saptanmıştır. Optimize edilen reaksiyon koşulları altında elde edilen katalizör ile 1551.5 gDME kgkat-1 saat-1 DME üretim hızı sağlamıştır. Elde edilen veriler, bu yüksek performansın, %60'lık bir TPA yüklemesinde TPA kümelerinin önemli derecede yüksek yüzey alanına sahip MCM-41 üzerinde tek tabakalı bir dağılımına imkan sunmasıyla TPA/MCM-41 katalizöründeki yüksek asit bölgesi yoğunluğundan kaynaklandığını göstermektedir. Bu yüksek DME üretim hızının, özellikle sentez gazı için optimize edilmiş ticari bir metanol sentezi katalizörü içeren fiziksel bir karışımda elde edildiğini göz önüne alarak, sonuçlarımız özellikle CO2 hidrojenlemesi için tasarlanmış bir metanol sentezi katalizörü ile birlikte kullanıldığında CO2 hidrojenlemesinden tek geçişli DME üretimi için TPA/MCM-41 katı asit katalizörü kullanımına yönelik büyük bir potansiyel sunmaktadır.