Hydrogen production by steam reforming of bio-alcohols:the use of conventional and membrane-assisted catalytic reactors

• Main Author: Seelam, P. K. (Prem Kumar)
• Other Authors: Keiski, R. (Riitta L.)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2013
• Subjects: bio-alcohols; bio-ethanol; carbon nanotube; catalysts; hydrogen production; membrane reactor; nanomaterials; palladium; steam reforming; water-gas shift; bioalkoholit; bioetanoli; hiilinanoputki; höyryreformointi; katalyytti; membraanireaktori; nanomateriaali; vedyn tuotanto; vesikaasun siirtoreaktio
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526202778; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526202778

Abstract The energy consumption around the globe is on the rise due to the exponential population growth and urbanization. There is a need for alternative and non-conventional energy sources, which are CO2-neutral, and a need to produce less or no environmental pollutants and to have high energy efficiency. One of the alternative approaches is hydrogen economy with the fuel cell (FC) technology which is forecasted to lead to a sustainable society. Hydrogen (H2) is recognized as a potential fuel and clean energy carrier being at the same time a carbon-free element. Moreover, H2 is utilized in many processes in chemical, food, metallurgical, and pharmaceutical industry and it is also a valuable chemical in many reactions (e.g. refineries). Non-renewable resources have been the major feedstock for H2 production for many years. At present, ~50% of H2 is produced via catalytic steam reforming of natural gas followed by various down-stream purification steps to produce ~99.99% H2, the process being highly energy intensive. Henceforth, bio-fuels like biomass derived alcohols (e.g. bio-ethanol and bio-glycerol), can be viable raw materials for the H2 production. In a membrane based reactor, the reaction and selective separation of H2 occur simultaneously in one unit, thus improving the overall reactor efficiency. The main motivation of this work is to produce H2 more efficiently and in an environmentally friendly way from bio-alcohols with a high H2 selectivity, purity and yield. In this thesis, the work was divided into two research areas, the first being the catalytic studies using metal decorated carbon nanotube (CNT) based catalysts in steam reforming of ethanol (SRE) at low temperatures (<450 °C). The second part was the study of steam reforming (SR) and the water-gas-shift (WGS) reactions in a membrane reactor (MR) using dense and composite Pd-based membranes to produce high purity H2. CNTs were found to be promising support materials for the low temperature reforming compared to conventional catalyst supports, e.g. Al2O3. The metal/metal oxide decorated CNTs presented active particles with narrow size distribution and small size (~2–5 nm). The ZnO promoted Ni/CNT based catalysts showed the highest H2 selectivity of ~76% with very low CO selectivity <1%. Ethanol was shown to be a more suitable and viable source for H2 than glycerol. The dense Pd-Ag membrane had higher selectivity but a lower permeating flux than the composite membrane. The MR performance is also dependent on the active catalyst materials and thus, both the catalyst and membrane play an important role. Overall, the membrane–assisted reformer outperforms the conventional reformer and it is a potential technology in pure H2 production. The high purity of H2 gas with a CO-free reformate for fuel cell applications can be gained using the MR system. === Tiivistelmä Maailman energiankulutus on kasvussa räjähdysmäisen väestönkasvun ja voimakkaan kaupungistumisen myötä. Tällä hetkellä energian tuottamisen aiheuttamat ympäristöongelmat ja taloudellinen epävarmuus ovat seikkoja, joiden ratkaisemiseksi tarvitaan vaihtoehtoisia ja ei-perinteisiä energialähteitä, joilla on korkea energiasisältö ja jotka tuottavat vähän hiilidioksidipäästöjä. Eräs vaihtoehtoisista lähestymistavoista on vetytalous yhdistettynä polttokennotekniikkaan, minkä on esitetty helpottavan siirtymistä kestävään yhteiskuntaan. Vety on puhdas ja hiilivapaa polttoaine ja energian kantaja. Lisäksi vetyä käytetään monissa prosesseissa kemian-, elintarvike-, metalli- ja lääketeollisuudessa ja se on arvokas kemikaali monissa prosesseissa (mm. öljynjalostamoissa). Uusiutumattomat luonnonvarat ovat olleet tähän saakka merkittävin vedyn tuotannon raaka-aine. Tällä hetkellä noin 50 % vedystä tuotetaan maakaasun katalyyttisellä höyryreformoinilla. Puhtaan (yli 99,99 %) vedyn tuotanto vaatii kuitenkin useita puhdistusvaiheita, jotka ovat erittäin energiaintensiivisiä. Integroimalla reaktio- ja puhdistusvaihe samaan yksikköön (membraanireaktori) saavutetaan huomattavia kustannussäästöjä. Biopolttoaineet, kuten biomassapohjaiset alkoholit (bioetanoli ja bioglyseroli), ovat vaihtoehtoisia lähtöaineita vedyn valmistuksessa. Tämän työn tavoitteena on tuottaa vetyä bioalkoholeista tehokkaasti (korkea selektiivisyys ja saanto) ja ympäristöystävällisesti. Tutkimus on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäisessä tutkittiin etanolin katalyyttistä höyryreformointia matalissa lämpötiloissa (<450 °C) hyödyntämällä metallipinnoitettuja hiilinanoputkia. Työn toisessa osassa höyryreformointia ja vesikaasun siirtoreaktioa tutkittiin membraanireaktorissa käyttämällä vedyn tuotantoon tiheitä palladiumpohjaisia kalvoja sekä huokoisia palladiumkomposiittikalvoja. Hiilinanoputket (CNT) havaittiin lupaaviksi katalyyttien tukimateriaaleiksi verrattuna tavanomaisesti valmistettuihin tukiaineisiin, kuten Al2O3. CNT-tukiaineelle pinnoitetuilla aktiivisilla aineilla (metalli-/metallioksidit) todettiin olevan pieni partikkelikoko (~2–5 nm) ja kapea partikkelikokojakauma. Sinkkioksidin (ZnO) lisäyksellä Ni/CNT-katalyytteihin saavutettiin korkea vetyselektiivisyys (~76 %) ja erittäin alhainen hiilimoksidiselektiivisyys (<1 %). Etanolin todettiin olevan parempi vedyn raaka-aine kuin glyserolin. Tiheillä Pd-Ag-kalvoilla havaittiin olevan vedyn suhteen korkeampi selektiivisyys mutta matalampi vuo verrattuna palladiumkomposiittikalvoihin. Membraanireaktorin suorituskyky oli riippuvainen myös katalyytin aktiivisuudesta, joten sekä kalvolla että katalyyttimateriaalilla oli merkittävä rooli kyseisessä reaktorirakenteessa. Yhteenvetona voidaan todeta, että membraanierotukseen perustuva reformointiyksikkö on huomattavasti perinteistä reformeriyksikköä suorituskykyisempi mahdollistaen tehokkaan teknologian puhtaan vedyn tuottamiseksi. Membraanitekniikalla tuotettua puhdasta vetyä voidaan hyödyntää mm. polttokennojen polttoaineena.