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研究生:林欣志
研究生(外文):Hsin-Chih Lin
論文名稱:以氧化鈦及氧化鋯擔載鎳及鐵之載氧體製備與測試
指導教授:蔣孝澈
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:化學工程與材料工程研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:化學環路燃燒載氧體擔體
外文關鍵詞:oxygen carrierChemical looping combustionsupport
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本研究以氧化鈦、氧化鋯為擔體,附載鐵、鎳活性金屬作為載氧體,進行化學循環燃燒(Chemical looping combustion)之實驗。擔體及活性金屬都是以固定之pH值下中和沉澱法製備。所獲得之氫氧化鈦、氫氧化鋯、氫氧化鎳及氫氧化鐵沉澱物經凝絮沈降及離心清洗後,依照活性金屬與擔體摩爾比6:4的比例,配出單一活性金屬或雙活性金屬,及擔成分擔體與複合擔體等,共九種配方。經過乾燥及900oC煆燒得到九組載氧體樣品。所有的載氧體樣品都經過XRD鑑定結晶結構、氮氣吸附鑑定孔洞結構及比表面積,並以XPS分析金屬原子之化學狀態。這些樣品都以TGA設備在900oC下用甲烷還原空氣氧化之循環測試其性質。所有樣品在十次氧化還原循環中皆保持很好的穩定性。由還原態XRD圖譜看到,上述樣品中的活性金屬皆可在循環中達到完全還原及完全氧化。並無因燒結而降低活性的現象。其中鎳金屬無論是擔載在Ti或Zr上都有很好的反應性,而甲烷還原速率最快的樣品是氧化鋯上擔載之鎳金屬。所以可推論以氧化鋯擔載的鎳金屬是化學循環燃燒最有潛力的載氧體。
Nine combinations of active metals (Nickel and iron) and supports (TiO2 and ZrO2) were tested as the oxygen carrier for the Chemical looping combustion process. These metals and supports were all prepared by the precipitation of the corresponding hydroxide from an inorganic salt solution. The wet hydroxides were mixed in various combinations to make up a 6:4 atom ratio between the metal and the oxide support. Nine oxygen carriers were obtained from the mixed hydroxides after 900oC calcination. They were then characterized by XRD, Nitrogen adsorption and XPS before subjected to 900oC redox cycles in a TGA system, with 50 % methane/Nitrogen as the reducing gas and air as the oxidant. The oxygen weight gain and the XRD analysis indicated that the nickel and iron metals went through a complete reduction and oxidation cycle without sintering or decay in at least ten cycles. This must have resulted from the better dispersion of the active metals on the support through the mixing of the corresponding hydroxides. Among the samples tested, the nickel showed the best reactivity and thus the shortest cycle time, while ZrO2 appeared as the support of choice that promoted the Redox reaction of nickel
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VII
第一章、緒論 1
1-1前言 1
1-2化學環路燃燒 (Chemical-Looping Combustion, CLC) 2
1-3載氧體的性質 4
1-4擔體 4
1-5擔體的性質 5
1-6各系載氧體 5
1-6-1鎳系 5
1-6-2鐵系 6
1-6-3銅系 7
1-6-4錳系 8
1-7 載氧體的製備方法 8
1-7-1含浸法(Impregnation method) 8
1-7-2冷凍顆粒法(Freeze-granulation method) 9
1-7-3溶解法(Dissolution method) 9
1-7-4機械混合法(Mechanical mixing method) 10
1-7-5溶膠凝膠法(Sol-gel method) 10
1-8研究方向及實驗規畫 11
第二章、載氧體的製備與鑑定 12
2-1材料選擇 12
2-2分析儀器原理介紹 13
2-2-1粉末X-光繞射儀(XRD) 13
2-2-2恆溫氮氣吸附儀 14
2-2-3 X光光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS) 14
2-3合成部分:金屬氫氧化物前驅物(precursor)的製備 16
2-3-1鹼性氫氧化鈦的合成 16
2-3-2鹼性氫氧化鋯的合成 19
2-3-3鹼性氫氧化鎳的合成 21
2-3-4鹼性氫氧化鐵的合成 23
2-4單一活性金屬搭配單一擔體之載氧體製備 25
2-4-1鎳/氧化鈦粉體 27
2-4-2鐵/氧化鈦粉體 27
2-4-3鎳/氧化鋯粉體 28
2-4-4鐵/氧化鋯粉體 29
2-5多重成分組成之載氧體製備 30
2-5-1鎳-鐵/氧化鈦粉體 30
2-5-2鎳-鐵/氧化鋯粉體 31
2-5-3鎳/氧化鈦-氧化鋯粉體 31
2-5-4鐵/氧化鈦-氧化鋯粉體 32
2-5-5鎳-鐵/氧化鈦-氧化鋯粉體 32
2-6載氧體十次氧化還原循環測試 33
2-6-1前言 33
2-6-2實驗儀器原理介紹 33
2-6-2-1熱重分析儀(TGA) 33
2-6-3實驗參數及步驟 34
第三章、結果與討論 35
3-1載氧體十次氧化還原穩定性 35
3-2積碳問題 40
3-3載氧體氧化還原反應性 42
3-4材料鑑定 48
3-4-1 900oC煆燒之氧化狀態載氧體 48
3-4-1-1載氧體XRD鑑定 48
3-4-1-2孔洞結構分析 53
3-4-2還原態之載氧體XRD結構鑑定及XPS化學狀態分析 55
3-4-2-1載氧體XRD鑑定 56
3-4-2-2 XPS化學狀態分析 59
第四章、結論及建議 65
Reference 66
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