Analýza klíčových vlastností Mg-Al směsných oxidů a K-alumina katalyzátorů a jejich potenciál v transesterifikaci řepkového oleje

Ing. Petr Kutálek

Doctoral thesis

Analysis of the crucial properties of Mg-Al mixed oxides and K-alumina catalysts and their potential in the transesterification of rapeseed oil

Abstract:

The doctoral thesis is focused on Mg-Al mixed oxides and potassium supported catalysts. The main aim of work is the fundamental research of the relationship among (i) the preparation of the selected solid base catalysts, (ii) their structure and (iii) the activity/selectivity of catalysts in the transesterification, which was chosen as a model basic reaction. To achieve this, the solid base catalysts with a different composition, structure and basicity were prepared. The special effort was made to study basic sites, more specifically to analyse of the amount and strength of basic sites present in the solid base catalysts. The resistance of the structure, composition and basicity of solid catalysts during the reaction was also investigated. Besides batch reactor, through-flow reactor was applied in order to study the long-time durability tests. The main point of our investigation was the determination of basic properties of Mg-Al mixed oxides prepared with various Mg/Al molar ratio and using various alkaline solutions. The total amount of basic sites present in Mg-Al mixed oxides was determined by the combination of temperature programmed desorption of CO2 and CO2 adsorption calorimetry. Furthermore, the characterization of other properties of Mg-Al mixed oxides such as the specific surface area and mean coherence length of MgO-like phase reveals the mutual relationship between the catalysts properties and their performance in a model reaction. Further investigations were aimed at the potassium supported catalysts, particularly K-alumina catalysts, and to define the crucial aspects of their activity/stability in a model reaction. It was found that in both batch and fixed-bed type reactors the potassium species were dissolved in liquid phase caused by glycerol attack. IR spectroscopy reveals that the most of leached potassium species represent K2O species while K-O-Al species were stable. High utilization potential shows K-alumina catalysts in fixed-bed reactor, even in the presence of some potassium leaching in the beginning of the reaction.

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na hořečnato-hlinité směsné oxidy a nanesené draselné katalyzátory. Hlavní cíl práce byl základní výzkum vztahu mezi (i) přípravou vybraných pevných bazických katalyzátorů, (ii) jejich strukturou a (iii) aktivitou/selektivitou v transesterifikaci, jež byla zvolena jako modelová bazicky katalyzovaná reakce. Aby tohoto bylo dosaženo, byly připraveny pevné bazické katalyzátory s rozdílných složením, strukturou a bazicitou. Zvláštní úsilí bylo vynaloženo na studium bazických center, převážně s ohledem na analýzu množství a síly bazických center přítomných v pevných bazických katalyzátorech. Byla také zjišťována odolnost struktury, složení a bazicity katalyzátorů v průběhu reakce. Kromě vsádkového reaktoru byl také použit průtokový reaktor ke studiu dlouhodobých testů. Hlavním cílem našeho výzkumu bylo zjištění bazických vlastností Mg-Al směsných oxidů připravených s rozdílným Mg/Al molárním poměrem a s využitím různých bazických prekurzorů. Celkové množství bazických center Mg-Al směsných oxidů bylo zjištěno za pomoci kombinace výsledků z teplotně programované desorpce oxidu uhličitého a adsorpční kalorimetrie. Charakterizace dalších vlastností Mg-Al směsných oxidů jako specifického povrchu a velikosti krystalů MgO fáze odhalila vzájemný vztah mezi těmito vlastnostmi a aktivitou katalyzátorů v modelové reakci. Další výzkum byl zaměřen na nanesené draselné katalyzátory, převážně pak na K-alumina katalyzátory, a nalezení rozhodujících aspektů jejich aktivity/stability v modelové reakci. Bylo zjištěno, že jak ve vsádkové tak i v průtokovém reaktoru dochází k uvolňování draselných částic působením glycerolu. Pomocí IR spektroskopie bylo zjištěno, že většinu uvolňovaných draselných částic tvoří K2O částice, zatímco K-O-Al častice byly stabilní. Vysoký potenciál pak K-alumina katalyzátory vykazovaly v průtokovém reaktoru i přesto, že bylo pozorováno částečné uvolňování draselných částic na začátku reakce.

Keywords

charakterizace bazických vlastností, Mg-Al směsné oxidy, K-alumina, katalyzátory, transesterifikace rostlinných olejů

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 4. 2014

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 24. 9. 2014

University of Pardubice

Faculty of Chemical Technology

Doctoral programme / field:
Physical Chemistry / Physical Chemistry