Adsorption kinetics of methane reformer off-gases on aluminum based metal-organic frameworks

Abstract

Over the last decades, with the development in industrialization, the combustion of fossil fuels has generated an increasing level of emission of greenhouse gases into atmosphere. Considerable efforts have been endeavored to advance alternative cleaner energy source to relieve the stress on environmental concerns and depletion of oil reserves. Hydrogen is regarded as an ideal clean energy carrier. A great majority of ultrapure hydrogen is produced by hydrogen rich steam methane reformer (SMR) off-gas mainly composed of 60-80% H2, 15-25% CO2, 3-6% CH4 and 1-3% CO, which severely requires an efficient separation and purification process associated with gas adsorption principle. A novel class of porous adsorbents known as metal-organic frameworks (MOFs) represent outstanding separation performance due to possessing large surface area and tunable pore size. Aluminum based metal organic frameworks (Al-TPA) are widely utilized in gas separation/purification applications due to its breathing characteristics by adjusting cell volume reversibly. The highest surface area of Al-TPA was found to be 1270 m2/g by performing solvothermal synthesis route. Diffusion studies of SMR off-gas components on the Al-TPA were carried out at different flow rates (80, 168 and 175 mL/min), temperatures (34, 70 and 100 °C) and concentrations (15 and 28%). High value of parameter L demonstrated that system was under kinetic control. The diffusivity values were found to be ranging from 5.73 x 10-13-8.04 x 10-13 for CO2, 5.03 x 10-13-6.64 x 10-13 for CH4, 1.36 x 10-12-1.56 x 10-12 for H2 and 1.01 x 10-13- 5.03 x 10-13 m2/g for CO respectively with increasing temperature.

Son birkaç on yıl içerisinde sanayileşmede yaşanan gelişmelere paralel olarak, fosil yakıtların yakılması, artan bir düzeyde sera gazının atmosfere salınımına yol açmıştır. Çevresel kaygılar ve petrol rezervlerinin tükenmesi üzerindeki stresi hafifletmek amacıyla alternatif temiz enerji kaynaklarının geliştirilmesi konusunda kayda değer çabalar sarf edilmiştir. Hidrojen gazı ideal ve temiz bir enerji taşıyıcısı olarak kabul edilir. Ultra saf hidrojen gazının büyük çoğunluğu gaz adsorpsiyon prensibi ile etkili bir ayırma ve saflaştırma işlemi gerektiren 60-80% H2, 15-25% CO2, 3-6% CH4 ve 1-3% CO oranlarındaki buhar metan reformer (SMR) çıkış gazları kullanılarak üretilmektedir. Yeni geliştirilen metal-organik ağ yapısı (MOF) olarak bilinen gözenekli adsorbentler, geniş yüzey alanına ve ayarlanabilir gözenek boyutuna sahip oldukları için üstün ayırma performansı gösterirler. Nefes alma özelliğiyle ilişkilendirilmiş ayarlanabilir gözenek hacmi sayesinde alüminyum esaslı metal organik ağ yapıları (Al-TPA) gaz ayırma/saflaştırma çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, solvotermal sentez metodu uygulanarak en yüksek yüzey alanına sahip (1270 m2/g) Al-TPA üretilmiştir. Al-TPA üzerindeki SMR çıkış gazı bileşenlerinin difüzyon çalışmaları farklı gas akış hızlarında (80, 168 ve 175 mL/dakika), sıcaklıklarında (34, 70 ve 100° C) ve konsantrasyonunda (%15 ve %28) gerçekleştirilmiştir. L parameteresinin yüksek değeri sistemin kinetik kontrol altında olduğunu göstermiştir. Difüzivite değerlerinin artan sıcaklık ile birlikte CO2 için 5.73 x 10-13-8.04 x 10-13, CH4 için 5.03 x 10-13-6.64 x 10-13, H2 için 1.36 x 10-12-1.56 x 10-12 ve CO için 1.01 x 10-13- 5.03 x 10-13 m2/g arasında değiştiği bulunmuştur.