Date of Award

6-2020

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science (MS)

Department

Chemistry

First Advisor

Dr. Abbas Ahmed Khaleel

Second Advisor

Dr. Mohammad Almeetani

Third Advisor

Dr. Nathir Al-Rawashdeh

Abstract

The increasing demand for energy is associated with challenges that include environmental concerns and limited reserves. Dimethyl ether, DME, which can be obtained from different feedstocks, including natural gas and biomass, has recently been recognized as an ultra-clean environmentally friendly fuel due to the fact that it possesses unique characteristics that make it an efficient alternative fuel for diesel fuel engines. In addition, DME is an industrially important intermediate for a variety of chemicals. A promising potential route for dimethyl ether production is catalytic dehydration of methanol over solid acid catalysts. Therefore, exploring new solid acid catalytic materials and understanding the mechanistic steps of methanol adsorption on their surfaces is of great importance for developing modified efficient catalysts for this process. In the present work, solid acid catalysts based on modified γ-Al2O3 were prepared by the sol-gel method and were studied as catalysts for methanol to dimethyl ether conversion.

The main focus of the present thesis is to investigate the effect of selected metal dopants on the surface chemical properties of γ-Al2O3, especially acid-base characteristics, and to correlate these effects with their catalytic activity in dehydration of methanol to DME. The selected dopants include transition metal ions with different d-configurations and different oxidation states, such as Ti(IV), V(III), and Ni(II) to elucidate any possible electronic effect on the alumina surface chemical behavior.

The prepared catalysts were characterized by various physical and chemical techniques including adsorption of probe molecules, namely ammonia and methanol. The study showed very promising results where doping γ-Al2O3 resulted in significant textural and chemical modifications including an enhanced overall surface acidity. The catalytic activity study showed that the incorporation of certain concentrations of Ti(IV) and Ni(II) ions in the γ-Al2O3 matrix resulted in an enhanced catalytic activity. The catalytic activity of the catalysts was correlated with their textural, chemical, and structural modifications resulting from the presence of the dopant ions

In addition, a comparison between the studied alumina-based solids and selected ZSM5 zeolites showed that the acidic character of the OH groups on their surfaces vary and therefore, different routes of methanol adsorption and dehydration were proposed for the two types of materials. Methanol adsorption and dehydration were proposed to be associative on the surface of ZSM5 zeolites, where Brønsted acid sites played a key role in adsorption and dehydration reaction. On the other hand, dissociative adsorption on Lewis acid-base pairs dominates the interactions with γ-Al2O3-based solids.

Comments

إن الطلب المتزايد على مصادر الطاقة يتزامن مع تحديات عديدة منها الاضرار البيئية والمصادر المحدودة, ثنائي ميثيل إيثير الذي يمكن إنتاجه من مصادر أولية عديدة مثل الغاز الطبيعي و الكتلة الحيوية تم اعتباره في ا لونة الأخيرة بأنه وقود نظيف صديق للبيئة حيث أن ثنائي ميثيل إيثر يتميز بخصائص عديدة تجعله بديل فعال لوقود الديزل في محركات الديزل إضافة إلى ذلك , يعد ثنائي ميثيل الإيثر مركب وسطيا مهم ا في إنتاج العديد من الكيماويات المهمة.يتم انتاج ثنائي ميثل إيثر غن طريق تفاعل نزع الماء )البلمهة( من الميثانول بالاستعانة بمحفزات حمضية صلبة. لذلك، استكشاف محفزات حمضية جديدة وفهم الخطوات الميكانيزمية الادمصاص الميثانول على سطح الحفاز يعتبر بالغ الأهمية من أجل تطوير مواد حفازة فعالة لهذا التفاعل. تم في هذا البحث تحضير محفزات حمضية تعتمد على أكسيد الألمنيو م )الألومينا( بطريقة ال "سول جل" وتم دراسة فعاليتها وقدرتها على تحفيز تفاعل تحويل الميثانول إلى - ثنائي ميثيل إيثر .

الهدف الرئيسي في هذه الأطروحة هو فحص تأثي ر التطعيم ببعض المعادن على الخصائص السطحية والكيميائية لأكسيد الألمنيوم وخاصة الخصائص الحمضية القاعدية وربط - هذه التأثيرات بنشاطه التحفيزي في تحويل الميثانول إلى ثنائي ميثيل إيثر. تشمل المطعما ت المختارة أيونات فلز انتقالية ذات تكوينات مختلفة وحالات أكسدة مختلفة، مثل Ti (IV) و (III) و Ni (II) لتوضيح أي تأثير إلكتروني محتمل على السلوك الكيميائي لسطح الألومينا. لق د تم ايضا فحص تأثير إضافة معادن اخرى مثل السيليكون والمغنيسيوم

لقد تم توصيف الخصائص الفيزيائية والكيميائية للحفازات المحضرة باستخدام تقنيا ت مختلفة منها ا دمصاص الأمونيا والميثانول. لقد أظهرت هذه الدراسة نتائج واعدة حيث إن تطعيم الألومينا أدى إلى تحسينات ملحوظة في الخصائص الكيميائية بما في ذلك زيادة حموضة السطح الكلية. أظهر ت دراسة نشاط الحفاز أن إضافة تركيزات معينة من أيونات Ti (IV) و Ni (II) في الألومينا أدى إلى تحسين نشاط الحفاز. لقد ارتبط النشاط الحفاز ي للمحفزات بتعديلاتها التركيبية والكيميائية والهيكلية الناتجة عن وجود أيونات التطعيم. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت المقارنة بين المواد الصلبة القائمة على الألومينا وزيولاي ت ZSM5 أن الطابع الحمضي لمجموعات هيدروكسيل OH على أسطحها يختلف، وبالتالي، تم اقتراح طرق مختلفة لا دمصاص وبلمهة الميثانول لهذين النوعين المختلفين من المواد.

تم اقتراح ا دمصا ص الميثانول وبلمهته ليكون مرتبطًا على سطح الزيولايت ZSM5 ، حيث لعبت مواقع حمض برون ستيد دورًا رئيسيًا في تفاعل الادم صا ص ونزع الماء. من ناحية أخرى، يهيمن الادمصا ص الإنفصالي على أزواج لويس الحمضي / القاعدي على التفاعلات مع المواد الصلبة القائمة على الألومينا γ-Al2O3 .

Download

Included in

Chemistry Commons

Share

COinS