پارامترهای موثر بر ساخت نانو کاتالیست Al2O3 γ Ir - دانلود رایگان
دانلود رایگان کاتالیستها که برخی صنایع دنیا بر پایهی آنها استوارند، تولید بسیاری از محصولات را در طی فرآیندهای شیمیایی تسهیل میکنند. کاتالیستها به علت خواص سطحی ویژ
دانلود رایگان
پارامترهای موثر بر ساخت نانو کاتالیست Al2O3 - γ Ir/ برای تجزیه هیدرازین و بهینه سازی آن هاWORDصفحه
فهرست جدولها
در این تحقیق نانو کاتالیستهای Ir/γ-Al2O3 و Ir-Ni/γ-Al2O3 سنتز شدند و در تجزیهی هیدرازین مورد بررسی قرار گرفتند. روشهای مختلف سنتز مورد بررسی قرار گرفت و روش تلقیح به دلیل هزینه و تعداد مراحل کمتر و قطر ذرات تولیدی مناسب به نسبت سایر روشهای مورد بررسی، انتخاب شد. کاتالیستهای ایریدیوم بر پایهی آلومینا با استفاده از حل کردن اسید هگزاکلروایریدیک به عنوان پیشمادهی فاز فلزی فعال در آب دیونیزه و اسید کلریدریک آماده شد. قبل از اولین تلقیح، پایه در آون در دمای oC۱۲۰ به مدت ۱۶ ساعت خشک شد. بعد از هر تلقیح، نیز دانهها در آونی با دمای oC۱۲۰ قرار گرفتند. سپس در کوره با دمایی oC۳۸۰ و ۵۰۰ کلسینه شدند. بر روی کاتالیستهای سنتز شده، آنالیزهای SEM، TEM، XRD و TPR انجام گرفت. تستهای راکتوری برای واکنش تجزیه هیدرازین در دو دمای عملیاتی oC۱۰۰ و ۴۰ با میزان حدود ۰/۲ گرم کاتالیست انجام شد. نتایج نشان داد که کاتالیست ۲۰ درصد وزنی ایریدیوم بر پایهی آلومینا بالاترین راندمان در تجزیه آمونیاک را دارد. لازم به ذکر است که این تفاوت در راندمان واکنش تجزیه آمونیاک، با دو کاتالیست ۱۰ و ۳۰ درصد وزنی ایریدیوم بر پایه آلومینا مقداری ناچیز است. فصل اول مروری بر منابع مقدمه کاتالیستها که برخی صنایع دنیا بر پایهی آنها استوارند، تولید بسیاری از محصولات را در طی فرآیندهای شیمیایی تسهیل میکنند. کاتالیستها به علت خواص سطحی ویژه و با تعویض مسیر واکنش شیمیایی بر روی سرعت واکنش تاثیر می گذارند. با ورود فناوری نانو به صنعت تولید کاتالیستها، نانو کاتالیستها نمود بیش تری پیدا کردند. این کاتالیستها در اکثر موارد، خواص چشمگیری از خود نشان داده اند و پارهای از آنها به فرآیندهای صنعتی راه یافتهاند. برخی از کاتالیستهای مورد استفاده شامل کریستالهای فلزی قرار گرفته روی پایهای با مساحت سطح بالا میباشند. این کاتالیستها توسط تلقیح[1]پایه با محلولی از ترکیبات فلزی میتوانند تولید شوند. در طول تلقیح و خشک کردن متوالی، نمونههای فلزی روی پایه قرار میگیرند]۱[. (البته باید توجه داشت که روشهای متفاوتی برای ساخت کاتالیست وجود دارد که یکی از این روشها، تلقیح میباشد). استفاده از کاتالیستها در زمینهی پیشرانش[2] قبل از جنگ جهانی دوم در آلمان با تجزیهی کاتالیستی H2O2 (۸۰% وزنی) از طریق تزریق نمکهای پرمنگنات آغاز شد( مثلا: واحدهای کمک برخاست برای هواپیمای He – 176، V1 catapult، (V2 turbopump. همچنین هیدروژن پراکساید به همراه نفت دیزل[3] برای اژدر و پیشران زیردریایی به کار گرفته شد. بعد از جنگ جهانی دوم، در برنامهی راکت UK Black Knight ، نفت سفید[4] با H2O2 و بستر کاتالیستی تورسیمی نقرهای به کار گرفته شد (پیشرانهی دو جزئی)[5]. شروع برنامههای فضایی به جایگزینی H2O2 با هیدرازین پایدارتر که می تواند به تنهایی به عنوان تکپیشرانه[6] استفاده شود، منجر شد؛ به منظور کنترل موقعیت (مدار) و طرز قرارگیری ماهوارههای پرتاب شده ازموتورهای خیلی ساده کوچک استفاده گردید. این موتورها تراستر نامیده شدند. امروزه نیز برای تأمین انرژی مورد نیاز تراست از تجزیه کاتالیستی تکپیشرانههایی مانند هیدرازین استفاده میشود[۲]. استفاده از تکپیشرانه هیدرازین در سیستمهای پیشرانهی ماهوارهها، افقهای فکری جدیدی را در دانش بشری باز کرده است، که مستقیما مسایلی همچون اکتشاف منابع طبیعی در فضای میان سیارهای و روی زمین، پیش بینی آب و هوا، ارتباطات تلویزیونی و رادیویی و ناوبری دریانوردی را تحت تاثیر قرار میدهد[۳]. اهمیت این مساله سبب شد که مطالعهای پیرامون این موضوع تحت عنوان معرفی روش های ساخت، آنالیز، تعیین مشخصه و به کارگیری نانو کاتالیست Ir/- Al2O3برای تجزیهی هیدرازین، صورت گیرد. نتایج حاصل از مطالعات و تحقیقاتی که در این زمینه شده است در فصل اول آورده شده است. علاوه بر آن در فصل اول مقدمات عمومی کاتالیستها مانند خواص و ترکیبات لازم برای ساخت آنها، پارامترهای انتخاب پایه، مزایای استفاده از کاتالیستهای پایهدار، تهیهی کاتالیزورهای فلزی روی پایه، خصوصیات گاما-آلومینا، دستهبندی سیستمهای کاتالیزوری، روشهای تهیهی کاتالیزورهای ناهمگن، پارامترهای موثر بر روش ساخت کاتالیست مزبور، مقدمهای کلی بر انواع تراسترها و مکانیزم تراستر گرم، معرفی تکپیشرانههای به کار رفته در این زمینه، مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم لیست مواد و تجهیزات آزمایشگاهی، روش انجام آزمایشات مربوطه، سیستم تست کاتالیست و روش آنالیز محصولات خروجی از راکتور بیان شده است. در فصل سوم نتایج و تحلیل آنها آورده شده است. در فصل چهارم نتیجه گیری کلی و پیشنهاداتی برای تحقیقات بعدی بیان گردیده است. ۱-۱-معرفی سیستمهای پیشرانش پس از پرتاب ماهواره و قرار دادن آن در یک مدار معین، سیستم ویژهایبرای تصحیح و کنترل مدار مربوطه احتیاج میباشد. برای این منظور از سه نوع سیستم پیشرانش استفاده میشود: سیستمهای گاز سرد، داغ و گرم. سیستمهای گاز سرد از یک گاز خنثی استفاده میکنند. این سیستمها سادهترین نوع سیستم پیشرانش هستند و شامل یک موتور میباشند و بنا بر کاربردشان ممکن است به صورت چندگانه نیز ساخته شوند. در سیستم پیشرانش گاز سرد، ضخامت و به تبع آن وزن بالای مخزن ذخیره، استفاده از آن را محدود کرده است. به علاوه به دلیل اینکه فشار تانک ذخیره عموما کاهشی است( مثل خروج گاز از یک بالن) در نتیجه به مرور زمان بازدهی آن کاهش مییابد. این سیستم برای کنترل مدار ماهوارهها استفاده میشود. امروزه از این سیستمها وقتی به ایمپالس و یا سطح تراست پایین احتیاج است و جایی که به کارگیری پیشرانههای شیمیایی دیگر به دلیل مسائل ایمنی دارای مشکلات خاصی است، استفاده میشود. سیستمهای پیشرانش گاز داغ، از اندازه بزرگتری نسبت به دیگر سیستمهای کنترل مدار برخوردار هستند و برای ماهوارههای بزرگ استفاده میشوند. در واقع سیستمهای پیشرانش گاز داغ، دو پیشرانهای اند. بدلیل ایمپالس تولیدی بالاتر نسبت به سیستم پیشرانش گاز گرم، عموما وقتی به نیروی تراست بالاتر احتیاج باشد از آنها استفاده میشود. سیستمهای پیشرانش گاز گرم به سیستمهای تک پیشرانه معروف هستند. دو نوع سیستم پیشرانش گاز گرم، کاتالیستی و حرارتی، وجود دارد. سیستمهای پیشرانش کاتالیستی، عموما به تامین انرژی گرمایشی نیاز ندارند، در نتیجه نسبت به سیستم تجزیه حرارتی، به تجهیزات کمتری احتیاج داشته و در بین انواع سیستمهای مورد استفاده سیستمهای سادهتر و دارای حجم و وزن کمتری هستند. از اینرو به دلیل دارا بودن مزایای مختلف، سیستم پیشرانش کاتالیستی، سیستمی مناسب برای کنترل مدار ماهوارهها شناخته شده است. امروزه برای عملیات حساس و مهم، که دقت قرار گرفتن ماهواره در مدار مناسب، از اهمیت خاص برخوردار است، تمایل به سیستمهای میکروپیشرانش رو به افزایش است، که این امر نیز با استفاده از سیستم پیشرانش کاتالیستی محقق میشود[۴]. سیستم پیشرانش کاتالیستی از سه بخش عمده سیستم خوراکدهی، بستر کاتالیستی و نازل تشکیل شده است. سیستم خوراکدهی متشکل از مخازن خوراک و گاز فشرده برای تزریق تک پیشرانه، شیرهای کنترل و در نهایت انژکتورها میباشد. بستر کاتالیستی حاوی کاتالیست مناسب برای تجزیه تک پیشرانه است، که عمل تجزیه کاتالیستی در آن رخ میدهد. نازلها وظیفه شتاب دادن به گازهای خروجی را بر عهده دارند که در نهایت تراست مورد نظر را ایجاد کنند[۴]. پیشرانه ذخیره شده در مخازن خوراک پس از عبور از انژکتورها، در اثر برخورد با بستر کاتالیستی تجزیه شده و گازهای داغ و انرژی گرمایی تولید میکند. گازهای داغ با عبور از نازل شتاب میگیرند و تراست مورد نظر را ایجاد میکنند. ۲-۱-انواع تکپیشرانهها به طور عمده هیدرازین به عنوان تکپیشرانه استفاده شده است. هیدروژن پراکساید، اتیلن اکساید، ایزو پروپیل نیترات و نیترومتان به عنوان تکپیشرانه مورد بررسی قرار گرفتهاند یا استفاده شدهاند[۵]. از مزایای اتیلن اکساید، پایین بودن کشش سطحی، فشار بخار و ویسکوزیته است. اتیلن اکساید به دلیل موازنه کم اکسیژن در مولکولش، عملکرد پایینی دارد. عملکرد پایین و دمای اشتعال آدیاباتیک پایین آن، باعث شده است که امروزه بیشتر از آنکه به عنوان پیشرانه در سیستم پیشرانش کاتالیستی مورد استفاده قرار گیرد، در مولدهای گاز در راکتها استفاده شود[۴]. از ویژگیهای نیترومتان گرمای تشکیل نسبتا بالا، ویسکوزیته پایین و ایمپالس بالا به دلیل وجود اکسیژن بالا در مولکول آن میباشد. نقطه انجماد آن از هیدرازین و هیدروژن پراکساید پایینتر است. معایب آن فشار بخار بالا، ظرفیت حرارتی پایین، وجود اشکال در شروع احتراق( همراه بودن تجزیه آن با انفجار ) و سمیت بالای آن است. این عوامل باعث شدهاند تا این ماده از عرصه کاربردهای عملی به دور نگه داشته شود[۶]. هیدروژن پراکساید غلیظ به عنوان تکپیشرانه تولید گاز در ایالت متحده آمریکا، روسیه و آلمان در موتورهای طراحی شده قبل از ۱۹۵۵ استفاده شده است. ایمپالس ویژه تئوری هیدروژن پراکساید ۹۰ % وقتی به عنوان پیشرانه تک جزیی استفاده میشود ۱۴۷ ثانیه است[۷]. هیدروژن پراکساید در بین تکپیشرانههای مذکور بالاترین دانسیته و نقطه جوش را داراست. همچنین هیدروژن پراکساید فشار بخار پایین، ظرفیت حرارتی و گرمای تشکیل نسبتا بالایی دارد. باید تجزیه آن در تمام مدت کنترل شود، زیرا در صورت تجزیه شدن در تانک ذخیره، کم کم فشار داخل تانک به دلیل تولید محصولات تجزیه افزایش یافته و حجم پراکسید هیدروژن داخل تانک کاهش مییابد. ممکن است در اثر تولید گاز و گرما دما افزایش یافته و اگر دما به ۲۶۰ درجه سلسیوس برسد، انفجار رخ میدهد[۴]. هیدرازین نه تنها به عنوان یک سوخت قابل ذخیره سازی عالی است، بلکه به عنوان یک تکپیشرانه که توسط کاتالیست مایع یا جامد مناسب تجزیه میشود نیز قابل استفاده است. این ماده بیش از ۱۵ سال در تانکهای غیر قابل نفوذ قابل ذخیره سازی است[۴]. هیدرازین به عنوان یک تکپیشرانه در کنترل جزئی و کنترل مسیر پرتابی راکتها برای کنترل ماهوارهها و دیگر فضاپیماها استفاده شده است. سیستمهای تکپیشرانهی هیدرازین، به طور گسترده برای کنترل مدار ماهوارهها و موشکها( حتی در اولین موشکها مثل دلتای V و آرین ۵ )، احتیاجات ایمپالس حدود ۱۰۰ ثانیه و کمتر را تامین کرده است. انواع مختلف این سیستم میتوانند ضربه ویژهای حدود ۲۳۵-۷ ثانیه، تراستی در حد ۳۵۰-۰/۷۵ نیوتن ایجاد کنند. اما این ماده دارای معایبی است. از معایب هیدرازین، سمیت و سرطانزایی آن است که از لحاظ زیست محیطی مشکل ساز است[۴]. یخ زدگی ناخواسته هیدرازین در فضا پیما یک مشکل طراحی است. در بسیاری از موارد، گرمکنهای الکتریکی اطراف تانکها و خطوط انتقال پیشرانه را فراگرفتهاند تا آنها را گرم نگه دارند و از یخ زدگی هیدرازین جلوگیری کنند[۸]. درشکل(۱-۱) یک طراحی خاص از بستر کاتالیستی دانهای[7] در راکت کنترل موقعیت و دیگر انواع موفق انژکتورهای هیدرازین آورده شده است[۷]. شکل۱-۱-محفظه تراست کوچک تکپیشرانه هیدرازین با بستر کاتالیستی، روشهای متفاوت تزریق[۷]. هر منفذ تزریق با قسمتی از صفحهای استوانهای پوشانده شده است در حالیکه که به داخل بستر کاتالیستی کشیده شده است. هنگامی که سادگی سیستم مهم بوده و عملکرد متعادل قابل قبول است از تراسترهای تکپیشرانه هیدرازین استفاده میشود. آنها دود غیر سمی، پاک و تمیز دارند. تقریبا تمام راکتهای کنترل موقعیت تکپیشرانه هیدرازین، از ایریدیوم پراکنده شده ریز یا کبالت قرار گرفته روی دانههای بستر سرامیکی( اکسید آلومینیوم )متخلخل با قطر ۱/۵-۳ میلیمتر به عنوان کاتالیست استفاده میکنند[۷]. ۱-۲-۱-مکانیسم تجزیه تکپیشرانه هیدرازین وقتی شیر کنترل پیشرانه در حالت باز است، N2H4 مایع تحت فشار بدرون بستر کاتالیستی تزریق میشود و فورا در تماس با کاتالیست،طبق واکنش شیمیایی زیر تجزیه میشود[۹]: = -36360.71 Cal 3N2H4 4NH3 + N2 بخشی از آمونیاک(NH3)اضافی بوسیلهی واکنش شیمیایی زیر تجزیه میشود: 4NH3 2N2 +6H2 = +19956.81 cal مقدار تجزیهی آمونیاک باید با طراحی بستر کاتالیستی و محفظه تجزیهاش، کنترل شود. تجزیه آمونیاک پایینتر با حداکثر ایمپالس ویژه به دست میآید. در حالیکه تجزیه آمونیاک بالا که در عملکردهای تولید[8] گاز، مفید است، وزن مولکولی محصولات گازی را کاهش میدهد. از آنجا که واکنش دوم منجر به درجه حرارت عملیاتی پایینتر، که باعث کاهش عملکرد کلی تراستر میشود، طراحی بستر کاتالیست در کاهش اثر واکنش دوم، نقش خواهد داشت. طول بستر کاتالیستی برای تراستر، طبق معیار پایداری تعیین میگردد نه طبق معیار عملکرد. با توجه به این نکته، تبدیل آمونیاک نزدیک %۵۵ است[۹]. پس به طور کلی وقتیN2H4با یک بستر کاتالیست برخورد میکند، با یک واکنش گرمازا به آمونیاک و نیتروژن تجزیه میشود و اگر اجازهی ادامهی واکنش داده شود، آمونیاک در یک واکنش گرماگیر تجزیه میشود[۹]. در مورد میزان تجزیه هیدرازین(راندمان مرحله اول) گزارشی نشده است. اما طبق مطالعات باید این مرحله به طور کامل انجام گیرد و راندمان ۱۰۰ درصد در تجزیه هیدرازین داشته باشیم. مرحلهیاول مکانیسم تجزیه فقط به تعداد اتمهای ایریدیوم سطح بستگی دارد، در حالیکه مرحلهی دوم یک واکنش حساس ساختاری[9] است[۲]. بعبارتی میتوان اینگونه توضیح داد که سرعت و توزیع محصول واکنشهای شیمیایی کاتالیز شده با فلزات به اندازه ذره کاتالیستهای پایهدار، میتواند بستگی داشته باشد. از میان راکتورها میتوان از راکتورهای بستر ثابت برای تجزیه هیدرازین استفاده نمود. که قلب راکتور نیز، همان بستر کاتالیستی است. دریافت فایل جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||