CC BY
2PLAZMA KATALIZ USULI BILAN METANDAN ETILEN OLISHDA KATALIZATOR SIRTLARI VA BOSIMNING
TA'SIRI
1Xaydarov Feruz Anarboyevich, 2Safarov Faxriddin Mamasaid o'g'li, 3Samatov Jahongir Mardonovich, 4Xalilov Umedjon Boymamatovich
1tayanch-doktorant, O'zR FA, U.A. Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari
institute, 2kichik ilmiy xodim, O'zR FA, U.A. Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari institute, 3talaba, Denov tadbirkorlik va pedagogoka insituti, 4fiz.-mat. fanlari doktori, katta ilmiy xodim, O'zR FA, Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari
institute
https://doi.org/10.5281/zenodo.11115523
Abstract. The combined use of plasma and catalyst is an economically and environmentally efficient approach to producing valuable ethylene for industry through methane conversion. This simulation-based research was carried out to determine the optimal conditions for increasing ethylene production. It was observed that ethylene formation was increased as a result of high-pressure methane plasma and a nickel catalyst with a lower surface energy.
Keywords: methane conversion, ethylene, plasma catalysis.
Аннотация. Совместное использование плазмы и катализатора является экономически и экологически эффективным способом получения ценного этилена для промышленности путем конверсии метана. Данное исследование, основанное на моделировании, было проведено с целью определения оптимальных условий для увеличения производства этилена. В результате было замечено, что образование этилена увеличилось в результате воздействия метановой плазмы высокого давления и никелевого катализатора с более низкой поверхностной энергией.
Ключевые слова: конверсия метана, этилен, плазменная катализа.
Annotatsiya. Metan konversiyasi orqali sanoat uchun yuqori qiymatili etilen olishda plazma hamda katalizatordan birgalikda foydalanish ham iqtisodiy, ham ekologik jihatdan samarali yondashuv hisoblanadi. Jarayonlarni modellashtirishga asoslangan ushbu tadqiqot ishi etilen hosil bo 'lishini oshirish uchun optimal sharoitlarni aniqlash maqsadida amalga oshirildi. Natijada yuqori bosimli metan plazmasi va sirt energiyasi pastroq nikel katalizatorining ta'sirlashishi natijasida etilen hosil bo'lishi oshgani kuzatildi.
Kalit so'zlar: metan konversiyasi, etilen, plazma kataliz.
Metandan etilen olishda atrof-muhitga salbiy ta'siri kam bo'lgan zamonaviy uskunalar orasida plazma katalizdan foydalanish istiqbolli yo'nalishlardan biri bo'lishi kutilmoqda [1]. Metanni konversiyalab etilen olish bo'yicha bu kunga qadar bir qancha tadqiqotlar o'tkazilgan bo'lishiga qaramasdan, etilen olishni oshirish uchun optimal sharoitlarni tanlash hozirgacha yetarli bosqichga yetmagan [2].
Ushbu modellashtirishga asoslangan ishda termodinamik sistemadagi har bir atomning joylashuvi va harakat tezliklari Nyutonning harakat tenglamalari yordamida aniqlandi. Jarayonlarni modellashtirishda Molekulyar Dinamika (MD) usuliga asoslangan LAMMPS dasturiy paketidan foydalanildi. Simulyatsiya davomida sistemadagi atomlar orasidagi o'zaro
ta'sir kuchlari Zou va boshqalar tomonidan ishlab chiqilgan ReaxFF potensiali parametrlari orqali tasvirlandi [3].
Katalizator sifatida turli morfologiyali katalizatorlada ko'p uchrashi va stabilligi nisbatan yuqoriligi sabab [4], nikel (Ni) metalining (111) va (100) panjara sirtli na'munalari tanlab olindi. Olingan katalizatorlar LAMMPS dasturiy paketidan foydalangan holda dastlab minimizatsiya qilindi, so'ngra kerakli haroratgacha NPT ansambilida qizdirildi. Nikel katalizator sirtlariga z o'qi bo'ylab metan plazmasida nisbatan ko'p uchraydigan CH3 radikali ma'lum vaqt oralig'ida depozit qilindi. 1, 2 va 10 atm. bosim uchun depozit vaqti hisoblab chiqildi (mos ravishda 90 ps, 45 ps va 9 ps) [5]. Depozit vaqtidagi 1500 K harorat NVE ansambilida va Berendsen termostatida ushlab turildi.
Natijalar shuni ko'rsatadiki, sirt energiyasi yuqoriligi Ni(100) sirtida Ni(111) sirtiga nisbatan radikallarning dissotsiyalanishi yuqoriroq tezlik bilan ro'y berishiga sabab bo'ladi (1-rasm ). Bu holat ayniqsa, gaz bosimi 10 atm. bo'lganda yaqqolroq ko'rinadi. Ya'ni, Ni(111) sirtida dissotsiyalangan radikallar Ni(100) sirtiga nisbatan 12,1% ga kamroq ekanligini ko'rish mumkin (mos ravishda 61,4% va 73,5%).
Shu bilan birga, bosim oshishi bilan CH3 ning dissotsatsiyalanish darajasi mos ravishda pasayganligini ko'rish mumkin (1 atm. va 10 atm. bosimda mos ravishda 98% va 61,4%). Buning sababi, bosimning oshishi gaz holdagi zarrachalarning to'qnashuvlar sonini oshirib, ularning adsorbsiyasini ko'paytiradi. Yuzaning ko'proq zarralar bilan qoplanishi natijasida adsorbsiyalangan CH3 larning parchalanishi uchun yetarli sirtning kamligi ularning dissotsiyalanishini kamaytiradi.
1-rasm. Ma'lum bosimda Ni(111) va Ni(100) sirtlarida CH3 radikalining dissotsiyalanish darajasi.
Etilen olinishi CH2 + CH2 =C2H4 (a) hamda CH + CH3 = C2H4 (b) reaksiyalar orqali sodir bo'lishini inobatga oladigan bo'lsak, yuqori bosim (10 atm) va Ni(111) sirtini tanlash orqali CH3, CH2 va CH turlarni sirtda ko'proq hosil qilish natijasida etilen olishni ko'paytirish mumkin bo'ladi. Yuqoridagilardan kelib chiqib aytish mumkinki, sirtni va bosimni mos ravishda tanlash orqali katalizator yuzasida ma'lum vaqtgacha kerakli turlarni saqlab turish mumkin (2-rasm). Ushbu turlarning keyingi o'zaro reaksiyalari ((a) va (b) reaksiyalar), so'ngra bu reaksiya mahsulotlarining desorbsiyasi natijasida ko'proq etilen hosil qilish mumkin bo'ladi.
Gaz bosimi (aim.) Gaz bosimi (atm.)
2-rasm. Ma'lum bosimda Ni(111) va Ni(100) sirtlarida CH3 radikalining dissotsiyalanishi natijasida hosil bo'lgan metan turlarining foiz konsentratsiyasi.
Natijalardan xulosa qilish mumkinki, plazma kataliz yordamida metandan etilen olishni samarali oshirishda yuqoriroq gaz bosimini va sirt energiyasi pastroq panjarali katalizatorni tanlash maqsadga muvofiq ekan.
REFERENCES
1. E.C. Neyts and et. al. Plasma Catalysis: Synergistic Effects at the Nanoscale, Chem. Rev. 2015, 115.
2. M. Zhou et al. Non - oxidative coupling reaction of methane to hydrogen and ethene via plasma-catalysis process. International Journal of Hydrogen Energy. 2023, 48, 78.
3. C. Zou et al., Molecular dynamics simulations of the effects of vacancies on nickel self-diffusion, oxygen diffusion and oxidation initiation in nickel, using the ReaxFF reactive force field, Acta Materialia Vol 83, 2015, 102
4. B. Bhatia et al. Chemisorption and diffusion of hydrogen on surface and subsurface sites of flat and stepped nickel surfaces, J. Chem. Phys. 122, 2005
5. U.B. Xalilov. Uglevodorod nanostrukturalarining molekulyar darajadagi selektiv sintezi. DSc dissertatsiyasi. Toshkent-Antverpen, 2020
