Metaanin termokatalyyttisestä hajotuksesta syntyvän hiilen kemiallinen aktivointi

Abstract

Opinnäytetyön tarkoituksena oli kerätä työn tilaajalle, Hycamite TCD Technologies Ltd:lle, tietoa aktiivihiilen valmistusmenetelmistä sekä selvittää, onko metaanin termokatalyyttisestä hajotusprosessista syntyvän hiilen aktivoiminen mahdollista yleisesti käytössä olevilla, biomassapohjaisen raaka-aineen aktivoimiseen soveltuvilla menetelmillä. Opinnäytetyössä kerättiin myös tietoa eri raaka-aineiden ja aktivointiolosuhteiden vaikutuksesta valmiin lopputuotteen pinta-alan ja huokosten syntymiseen. Opinnäytetyöhön sisältyy teoriaosa, jossa esitetään aktiivihiilen erilaisia raaka-aineita, valmistusmenetelmiä sekä näiden yhteisvaikutusta aktiivihiilen huokoisuuteen ja sitä kautta pinta-alan muodostumiseen. Opinnäytetyöhön sisältyy lisäksi kokeellinen osuus, jossa selvitetään, voiko biomassapohjaisen materiaalin aktivoimiseen menestyksekkäästi käytettäviä menetelmiä soveltaa myös metaanin termokatalyyttisestä hajotuksesta syntyvän hiilen aktivoimiseen.

Opinnäytetyön kokeellisessa osuudessa pyrittiin aktivoimaan metaanin termokatalyyttisestä hajottamisesta syntyvää hiiltä kaliumhydroksidilla, sinkkikloridilla sekä fosforihapolla. Tutkimuksessa saatiin kaliumhydroksidiaktivoinnilla kasvatettua hiilimateriaalin pinta-alaa 99 m2/g:sta 337 m2/g:aan. Sinkkikloridiaktivoinnilla ei ollut pinta-alaa kasvattavaa vaikutusta. Fosforihappoaktivointi ei ollut sopiva menetelmä käytössä olleelle aktivointilaitteistolle.

Tutkimus osoitti, etteivät yleisesti biomassapohjaisen materiaalin kemialliseen aktivoimiseen käytettävät kaliumhydroksidi ja sinkkikloridi sovellu metaanin hajotuksesta syntyvän hiilen aktivoimiseen. Syynä tähän voi olla hiilen järjestäytynyt rakenne, jolloin hiilen rakennetta on vaikea rikkoa ja aktivoiminen on hankalaa. Aktivoituminen tapahtuu todennäköisesti ainoastaan materiaalin reunoilla. Metaanin hajotuksesta syntyvän hiilen rakenteen tarkempi tutkiminen voi antaa lisätietoa aktivointimenetelmän kehittämiseen. Aktiivihiilen valmistukseen käytettäviä aktivointikemikaaleja ja -menetelmiä on hyvin monenlaisia. Niitä testaamalla ja muokkaamalla oikeanlaisen aktivointimenetelmän löytäminen termokatalyyttisestä metaanin hajotuksesta syntyvälle hiilelle voi olla mahdollista.

The purpose of the thesis was to collect information on activated carbon production methods for the client, Hycamite TCD Technologies Ltd., and to find out whether it is possible to activate the carbon generated by the thermocatalytic decomposition process of methane with commonly used methods suitable for activating biomass-based raw material. The thesis also collected information on the effect of different raw materials and activation conditions on the surface area and pores of the finished product. The thesis includes a theoretical part that presents different raw materials, manufacturing methods and their combined effect on the porosity of activated carbon and thus on surface area formation. In addition, the thesis includes an experimental part that investigates whether methods used to successfully activate biomass-based material can also be applied to the activation of carbon from thermocatalytic decomposition of methane.

The experimental part of the thesis aimed at activating carbon from thermocatalytic decomposition of methane with potassium hydroxide, zinc chloride and phosphoric acid. In the study, potassium hydroxide activation increased the material's surface area from 99 m2/g to 337 m2/g. Zinc chloride activation had no increasing effect on the surface area. Phosphoric acid activation was not a suitable method for the activation equipment in use.

The experimental part showed that potassium hydroxide and zinc chloride, commonly used to chemically activate biomass-based material, are not suitable for activating carbon from methane decomposition. The reason for this may be the organized structure of carbon, making it difficult to break it and activate. Activation is likely to occur only at the edges of the material. A more detailed study of the structure of the carbon resulting from methane decomposition may provide additional information for the development of an activation method. However, there are many different types of activation chemicals and methods. By testing and modifying them, it may be possible to find the right activation method for carbon from thermocatalytic methane decomposition.