Influence of total pressure on complete oxidation of methane over Pd/Al2O3 catalysts

Doktorsavhandling, 2019

För en hållbar framtid behöver vi, i ett längre perspektiv, ställa om våra samhällsfunktioner där energi- och transportsektorn drivs av förnyelsebar energi från sol, el, vätgas samt biobaserade råvaror.  En sådan omställning tar tid och innebär att till dess kommer användningen av både fossila och förnybara råvaror behöva användas parallellt. För att förhindra utsläpp av antropogena växthusgaser från förbränningen av fossila bränslen under denna period, införs allt striktare gränsvärden till följd av politiska beslut. Detta kräver att vi effektiviserar de tekniker som vi använder idag för att kunna minimera eller eliminera utsläppen av växthusgaser från fossila källor.

Ett sätt att åstadkomma detta inom en snar framtid är att ersätta användningen av oljebaserade råvaror med den potentiellt mer hållbara naturgasen och biogasen, som till största delen består av metan. Detta projekt syftar till att minska utsläppen av oförbränd metan från naturgasmotorer. Det oförbrända metanet oxideras katalytiskt till koldioxid och vatten, som har lägre klimatpåverkan än metan. Katalysatorn består vanligtvis av ädelmetallen palladium som är fördelad på ett bärarmaterial av aluminiumoxid med hög yta. Huvudfrågeställningen som undersökts i denna avhandling är om katalysatorn presterar bättre vid högre tryck än vid atmosfärstryck. Om så är fallet skulle katalysatorn kunna installeras uppströms av en turbin i naturgasmotorer, vilket samtidigt skulle kunna minska den totala volymen av katalysatorn.

Frågeställningen har undersökts med hjälp av en nyutvecklad matematisk modell, där reaktionskinetiken är baserad på första-principenberäkningar och experimentella studier av oxidation av metan över Pd/Al2O3 katalysatorer. Den matematiska modellen tar hänsyn till mass- och värmetransport genom ett poröst lager av bärarmaterialet aluminiumoxid och reaktionen som sker på en yta av palladiumoxid med facetten (101).

Resultaten från detta projekt visar att ökat tryck kan förbättra omsättningen av metan i katalysatorn beroende på gassammansättning och temperatur. I en torr gassammansättning utan koldioxid och i syreöverskott (0,1 % metan och 2 % syre), visar både experiment och simuleringar att omsättningen av metan ökar med ökat totaltryck över ett brett temperaturspann. Vid en simulerad avgassammansättning där även 10 % vatten och 5 % koldioxid är närvarande, krävs en högre temperatur för att nå en positiv effekt av ökat totaltryck. Resultaten visar att i närvaro av vatten och koldioxid, ökar antalet molekyler på katalysatorytan vilket hindrar oxidationen av metan då totaltrycket ökar.

Genom att ta hänsyn till processer vid olika tid- och rumskalor banar den matematiska modellen, som är utvecklad i detta projekt, väg för modellering av viktiga katalytiska reaktioner såsom oxidation av metan för emissionsrening.