Naslov Razvoj monolitnih katalizatora za katalitičku oksidaciju aromatskih hlapljivih organskih spojeva primjenom tehnologije 3D-ispisa Naslov (engleski) Development of monolithic catalysts for catalytic oxidation of aromatic volatile organic compounds using 3D-printing technology Autor Filip Car Mentor Vesna Tomašić (mentor)Član povjerenstva Domagoj Vrsaljko (predsjednik povjerenstva)Član povjerenstva Vanja Kosar (član povjerenstva)Član povjerenstva Lidija Ćurković (član povjerenstva)Ustanova koja je dodijelila Sveučilište u Zagrebu Datum i država obrane 2022-09-30, Hrvatska Znanstveno / umjetničko TEHNIČKE ZNANOSTI Univerzalna decimalna klasifikacijaUDC ) 66 - Kemijska tehnologija. Kemijska i srodne industrije 54 - Kemija. Kristalografija. Mineralogija Sažetak U ovom doktorskom radu ispitana je mogućnost primjene komercijalne fotoosjetljive smole Ceramic resin za izradu keramičkih monolitnih nosača katalizatora stereolitografijom kao jednom od tehnika aditivne proizvodnje. Specifični ciljevi uključivali su 3D-ispis monolitnih nosača različitih geometrija, razvoj i primjenu odgovarajuće tehnike nanošenja katalitički aktivnog sloja (miješani oksidi Mn, Cu, Fe i Ni) na pripremljene monolitne nosače, uključujući i različite izvedbe statičkih miješalica kao potencijalnih nosača aktivnih komponenata i testiranje njihove učinkovitosti za oksidaciju smjese aromatskih hlapljivih organskih spojeva (benzen, toluen, etilbenzen i o-ksilen - BTEX) kao i pojedinačnih modelnih BTEX komponenti. Ukupno je izrađeno 12 različitih funkcionalnih izvedbi 3D-ispisanih monolitnih nosača katalizatora, od čega 5 izvedbi u obliku statičkih miješalica. Detaljno je ispitan utjecaj različitih parametara pripreme na fizičko-kemijske, toplinske, mehaničke i katalitičke značajke različitih izvedbi strukturiranih katalizatora te utjecaj procesnih uvjeta na brzinu oksidacije aromatskih hlapljivih organskih spojeva. Rendgenskom difrakcijskom analizom utvrđeno je da se keramička faza kompozitne smole Ceramic resin sastoji od SiO2, tj. da nakon toplinske obrade dolazi do formiranja kristobalita, minerala koji je jedna od temperaturno ovisnih polimorfnih modifikacija kvarca. Elementarni sastav dodatno je potvrđen EDX analizom pri čemu je dobiveno izvrsno slaganje s literaturnim vrijednostima za istu smolu. Određena je veličina keramičkih čestica u smoli uporabom metode laserske difrakcije. Rezultati analize pokazali su da se veličina keramičkih čestica kreće u rasponu od 0,5 μm do 414 μm. Vrijednost medijana veličine čestica (d50) u populaciji iznosi 34,8 μm. Dominantna veličina keramičkih čestica u populaciji (dmode) iznosi 44,7 μm, dok Sauterov promjer (d3,2) čestica iznosi 91,5 μm. Toplinska svojstva smole Ceramic resin ispitana su provedbom simultane TGA/DTA analize. Provedeno je ispitivanje dimenzijske stabilnosti kako bi se eksperimentalno odredili korekcijski dimenzijski faktori koje treba uzeti u obzir prilikom 3D-ispisa monolitnih nosača katalizatora da bi nakon toplinske obrade ostvarili željene dimenzije. Na svim izrađenim monolitnim nosačima katalizatora izmjeren je pad tlaka u reaktorskom sustavu. Rezultati ispitivanja pokazali su gotovo zanemariv pad tlaka pri radnim uvjetima korištenim u provedenom istraživanju. Uvid u morfologiju 3D-ispisanih nosača s i bez nanesenog katalitičkog sloja i određivanje debljine nanesenog katalitičkog sloja dobiveno je upotrebom pretražne elektronske mikroskopije. Sastav katalitički najaktivnijih miješanih manganovih oksida (MnFeOx i MnCuOx) potvrđen je Ramanovom spektroskopijom. Na temelju usporedbe s rezultatima dobivenih rendgenskom difrakcijskom analizom i rendgenskom fotoelektronskom spektroskopijom uspješno je definiran sastav prisutnih miješanih metalnih oksida. Katalitički sloj nanesen je primjenom tehnike mokre impregnacije i sol-gel tehnike. Rezultati ispitivanja adhezije katalitičkog sloja na monolitnim nosačima pokazali su izvrsne rezultate s manje od 2 % gubitka mase nakon pola sata izlaganja djelovanju ultrazvuka radne frekvencije 37 kHz. Na temelju mjerenja katalitičke aktivnosti pripremljenih monolitnih katalizatora zaključeno je da je impregnacija prikladnija tehnika. Također je provedeno optimiranje kemijskog sastava katalitičkog sloja s obzirom na očekivane konverzije modelnih komponenti. Najučinkovitijom geometrijom 3D-ispisanih monolitnih nosača katalizatora pokazala se geometrija nosača ZS (zvijezda sa stijenkom) koja je sadržavala dodatne strukturne elemente (pera) s vanjske strane stijenke. 3D-ispisani monolitni nosač ZDP (zvijezda s dodatnim perima) imao je najveću geometrijsku površinu (28 cm^2) i najveću masu katalitičkog sloja (12,4 mg) te je pokazivao čak i nešto veću katalitičku aktivnost u usporedbi s aktivnošću komercijalnog (kordijeritnog) monolitnog nosača slične geometrijske površine (29 cm^2) na koji je nanesen isti katalitički sloj. Rezultati testiranja katalitičke aktivnosti pokazali su da se sve četiri BTEX komponente uklanjaju iz reakcijske smjese već pri temperaturi od 179 °C, što je od velike ekonomske važnosti s obzirom na njihovu primjenu u realnim sustavima. U završnom dijelu istraživanja provedena je analiza i modeliranje monolitnog reaktora. Za tu svrhu predložen je jednodimenzijski (1D) heterogeni model reaktora, koji uključuje kinetički model za reakciju prvog reda. Provedena je usporedba rezultata dobivenih primjenom BTEX smjese i pojedinačnih BTEX spojeva. Ocjena prihvatljivosti predloženog modela koja je provedena na temelju pripadajućih vrijednosti korijena standardnog odstupanja između eksperimentalno dobivenih i teorijski predviđenih vrijednosti pokazala je da predloženi model uspješno opisuje eksperimentalne rezultate. S obzirom na činjenicu da je 1D heterogeni model izveden na temelju pripadajućih bilanci za modelne komponente u plinskoj fazi i bilanci za modelne komponente na površini katalitičkog sloja, što odgovara fizičkoj slici procesa, zaključeno je da je predloženi model prikladan za opisivanje katalitičke oksidacije BTEX i srodnih aromatskih hlapljivih organskih spojeva uz primjenu heterogenih strukturiranih katalizatora. Rezultati prikazani u ovom doktorskom radu ukazuju na izuzetan potencijal i velike mogućnosti primjene tehnologije aditivne proizvodnje pri proizvodnji složenih izvedbi katalizatora i kemijskih reaktora. Potvrđeno je da se tehnikom stereolitografije mogu uspješno pripremiti keramički monolitni nosači koji su prema svojim katalitičkim značajkama i primjenskim svojstvima usporedivi s katalizatorima izrađenim od komercijalne kordijeritne keramike, pri čemu posebno treba istaknuti njihovu veću fleksibilnost s obzirom na proizvodnju složenih geometrijskih oblika.
Sažetak (engleski) This dissertation investigated the possibility of using the commercially available photosensitive resin Ceramic resin for the fabrication of ceramic monolithic catalyst carriers by using stereolithography as one of the additive manufacturing techniques. Specific objectives included 3D-printing of monolithic carriers with different geometries, developing and applying a suitable technique for depositing a catalytically active layer (mixed oxides of Mn, Cu, Fe, and Ni) on the prepared monolithic carriers, including different designs of static mixers as potential active component carriers, and testing their effectiveness for oxidation of a mixture of aromatic volatile organic compounds (BTEX) and individual model components. A total of 12 different functional variants of 3D-printed monolithic catalyst carriers were prepared, 5 of which were in the form of static mixers. The influence of different preparation parameters on the physicochemical, thermal, mechanical and catalytic properties of different designs of structured catalysts and the influence of process conditions on the oxidation rate of aromatic volatile organic compounds were studied in detail. X-ray diffraction analysis showed that the ceramic phase of the ceramic resin composite was composed of SiO2, i.e., cristobalite, a mineral that is a temperature-dependent polymorphic modification of quartz, was formed after heat treatment. The elemental composition was confirmed by EDX analysis, where excellent agreement was obtained with literature values for the same resin. The size of the ceramic particles in the resin used was determined by the laser diffraction method. The results of the analysis showed that the size of the ceramic particles ranged from 0.5 μm to 414 μm. The median value of the particle size (d50) in the population is 34.8 μm. The predominant size of the ceramic particles in the population (dmode) is 44.7 μm, while the Sauter diameter (d3,2) of the particles is 91.5 μm. The thermal properties of the ceramic resin were investigated by simultaneous TGA / DTA analysis. Dimensional stability tests were performed to experimentally determine the dimensional correction factors that must be considered in 3D-printing of monolithic catalyst carriers to obtain the desired dimensions after heat treatment. The pressure drop in the reactor system was measured with all fabricated monolithic catalyst carriers. The test results showed almost negligible pressure drop under the operating conditions used in the study. Scanning electron microscopy was used to gain insight into the morphology of the 3D-printed carriers with and without an applied catalytic layer and to determine the thickness of the applied catalytic layer. The composition of the most catalytically active manganese mixed oxides (MnFeOx and MnCuOx) was confirmed by Raman spectroscopy. Comparison with the results of X-ray diffraction analysis and X-ray photoelectron spectroscopy successfully determined the composition of the mixed metal oxides present. The catalyst layer was applied by the wet impregnation technique and the sol-gel technique. The results of the study of the adhesion of the catalytic layer to monolithic carriers showed excellent results with less than 2 % weight loss after half an hour of exposure to ultrasound at an operating frequency of 37 kHz. From the measurements of catalytic activity of the prepared monolithic catalysts, it was concluded that impregnation is a more suitable method. The chemical composition of the catalyst bed was also optimized with respect to the expected conversions of the model components. The most efficient geometry of the 3D-printed monolithic catalyst carriers was found to be the geometry of the ZS carrier, which contained additional structural elements on the outside of the wall. The 3D-printed monolithic ZDP carrier had the largest geometric surface area (28 cm^2), the largest catalytic bed mass (12.4 mg), and exhibited even slightly higher catalytic activity in comparison with a commercial (cordierite) monolithic carrier with similar geometric surface area (29 cm^2) that was coated with the same catalytic layer. The results of the catalytic activity tests showed that all four BTEX components are removed from the reaction mixture already at a temperature of 179 °C, which is of great economic importance considering their application in real systems. In the last part of the research, the analysis and modeling of a monolithic reactor was carried out. For this purpose, a one-dimensional (1D) heterogeneous reactor model was proposed, which includes a kinetic model for the first-order reaction. A comparison of the results obtained with a BTEX mixture and single BTEX compounds was performed. The evaluation of the acceptability of the proposed model, performed on the basis of the corresponding root values of the standard deviation between the experimentally obtained and the theoretically predicted values showed that the proposed model successfully described the experimental results. Based on the fact that the heterogeneous 1D model is derived based on the corresponding balances for the model components in the gas phase and the balance for the model components on the surface of the catalytic layer, which corresponds to the physical picture of the process, it was concluded that the proposed model is suitable for describing the catalytic oxidation of BTEX and related aromatic volatile organic compounds using heterogeneously structured catalysts. The results presented in this dissertation demonstrate the extraordinary potential and great possibilities of the application of additive manufacturing technology in the fabrication of complex designs of catalysts and chemical reactors. It was confirmed that the stereolithography technique can successfully fabricate ceramic monolithic carriers comparable in catalytic properties and application characteristics to catalysts made of commercially available cordierite ceramics, with particular emphasis on their greater flexibility in the fabrication of complex geometric shapes.
Ključne riječi
stereolitografija
monolitni katalizator
mokra impregnacija
katalitička oksidacija
benzen
toluen
etilbenzen
o-ksilen
miješani manganovi oksidi
jednodimenzijski heterogeni model monolitnog reaktora
Ključne riječi (engleski)
stereolithography
monolithic catalyst
wet impregnation
catalytic oxidation
benzene
toluene
ethylbenzene
o-xylene
mixed manganese oxides
one-dimensional heterogeneous reactor model
Jezik hrvatski URN:NBN urn:nbn:hr:149:519595 Datum promocije 2022 Projekt Šifra: IP-2018-01-8669 Studijski program Naziv: Kemijsko inženjerstvo i primijenjena kemija Vrsta resursa Tekst Opseg 173 str. ; 30 cm Način izrade datoteke Izvorno digitalna Prava pristupa Otvoreni pristup Uvjeti korištenja Datum i vrijeme pohrane 2022-10-26 13:52:22
