شماره مدرك
21106
شماره راهنما
2492 دكتري
پديد آورنده
رستمي، محمدتقي
عنوان
توليد رزين نفتي از بنزين پيروليز توسط نانوكاتاليست مغناطيسي هسته-پوسته Fe₃O₄@SiO₂@AlCl₃ و بهينه سازي پارامترهاي تأثيرگذار بر واكنش توليد
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
فرايند
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
چهارده، 138ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
بهينه سازي , پليمريزاسيون كاتيوني , رزين نفتي , روش سطح پاسخ , نانوكاتاليست مغناطيسي , ساختار هسته-پوسته
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/18
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
دانشكده
مهندسي شيمي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/18
كد ايرانداك
23217598
چكيده فارسي
رزينهاي نفتي يكي از مواد مهم در صنايع چسب، رنگ، مركب چاپ و لاستيك هستند. باوجود توسعه جهاني اين فناوري، توليد صنعتي رزينهاي نفتي در ايران تاكنون محقق نشده و كشور ملزم به واردات آنها هست. در اين تحقيق، توليد آزمايشگاهي رزين نفتي از خوراك بنزين پيروليز با استفاده از كاتاليست آلومينيوم كلريد (AlCl₃) در يك راكتور ناپيوسته مورد بررسي قرار گرفت. در اين راستا، اثر مهمترين پارامترهاي عملياتي شامل دما، زمان ماند و درصد وزني كاتاليست بر بازده واكنش و ويژگيهاي رزين توليدي از جمله وزن مولكولي، نقطه نرمي و رنگ بررسي و شرايط بهينه تعيين شد. بهمنظور بهينهسازي پارامترها، از طراحي آزمايش و روش سطح پاسخ مبتني بر طراحي مركب مركزي استفاده گرديد. در گام بعدي، براي نخستين بار نانوكاتاليست مغناطيسي با ساختار هسته اكسيد آهن-پوسته سيليس اصلاحشده با آلومينيوم كلريد (Fe₃O₄@SiO₂@AlCl₃) با قابليت جداسازي مغناطيسي و استفاده مجدد، سنتز و در واكنش توليد رزين نفتي بهكار گرفته شد. در اين مرحله، واكنش پليمرشدن با استفاده از خوراك اصلاحشده (برش 35 تا 65 درجه سانتيگراد بنزين پيروليز) و تحت شرايط بهينه بهدستآمده از مرحله قبل انجام شد. ويژگيها و مشخصات نانوكاتاليست سنتزشده با استفاده از آناليزهايBET، DLS، EDAX، FESEM، FT-IR، ICP، TEM، TGA، VSM و XRD تعيين گرديد. علاوه بر اين، سينتيك واكنش پليمرشدن توليد رزين نفتي مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد كه شرايط بهينه شامل دماي 20 درجه سانتيگراد، 13/1 درصد وزني كاتاليست و زمان ماند 86 دقيقه است كه در اين شرايط، حداكثر بازده، حداكثر نقطه نرمي و حداقل رنگ بهترتيب برابر با 5/22 درصد، 152 درجه سانتيگراد و 7/3 گاردنر به دست آمد. مقايسه عملكرد كاتاليست AlCl₃ و نانوكاتاليست Fe₃O₄@SiO₂@AlCl₃ نشان داد كه اگرچه وزن مولكولي و نقطه نرمي رزين تغيير محسوسي نداشتند، اما استفاده از نانوكاتاليست موجب افزايش قابلتوجه بازده از 1/22 به 8/40 (تقريباً دو برابر) شد، درحاليكه رنگ رزين بهطور متوسط حدود 5/1 واحد گاردنر افزايش يافت (از 4 به 4/5). علاوهبراين، استفاده از خوراك اصلاحشده منجر به افزايش بازده، وزن مولكولي و نقطه نرمي و كاهش رنگ رزين گرديد كه نشاندهنده بهبود پايداري و كيفيت رزين توليدي است. بررسي قابليت استفاده مجدد نانوكاتاليست نشان داد كه بازده واكنش پليمرشدن پس از شش بار بازيابي و استفاده مجدد تنها حدود 7 درصد كاهش يافته است (از % 98 به % 91)، بهطوريكه تغييرات قابلتوجهي در پاسخها، بهويژه بازده، در طول اين شش چرخه مشاهده نشد. اين نتايج بيانگر فعاليت كاتاليستي بالا و پايداري مناسب نانوكاتاليست سنتزشده است. علاوه بر اين، مطالعه سينتيكي نشان داد كه اصلاح خوراك نقش مؤثري در بهبود فرايند توليد رزين نفتي دارد، بهگونهاي كه ثابت سرعت واكنش از min-1 400/0 به min-1 0158/0 (حدود چهار برابر) افزايش يافت و درصد تبديل نهايي از 58 به 98 درصد (حدود 40 درصد) بيشتر شد. درنهايت، مقايسه روش ارائهشده در اين تحقيق با برخي روشهاي پيشين نشان داد كه انجام واكنش در شرايط بدون حلال، كاهش زمان واكنش و قابليت استفاده مجدد كاتاليست حداقل براي شش چرخه بدون افت محسوس فعاليت، ازجمله مزيتهاي برجسته اين پژوهش محسوب ميشود.
چكيده انگليسي
Petroleum resins are one of the key materials in the adhesive, paint, printing ink, and rubber industries. Despite the global advancement of this technology, the industrial production of petroleum resins has not yet been realized in Iran, making the country reliant on their importation. In this study, the laboratory-scale production of petroleum resin from pyrolysis gasoline feed using an aluminum chloride (AlCl₃) catalyst in a batch reactor was investigated. In this regard, the effects of the most important operating parameters—namely temperature, residence time, and catalyst weight percentage—on the reaction yield and the properties of the produced resin, including molecular weight, softening point, and color, were examined, and the optimal conditions were determined. To optimize the parameters, experimental design and the response surface methodology based on a central composite design were employed. In the next step, for the first time, a magnetic nanocatalyst with an iron oxide core–silica shell structure modified with aluminum chloride (Fe₃O₄@SiO₂@AlCl₃), featuring magnetic separability and reusability, was synthesized and applied in the petroleum resin production reaction. At this stage, the polymerization reaction was carried out using a modified feed (the 35–65°C cut of pyrolysis gasoline) under the optimal conditions obtained from the previous step. The properties and characteristics of the synthesized nanocatalyst were determined using BET, DLS, EDAX, FESEM, FT-IR, ICP, TEM, TGA, VSM, and XRD analyses. Furthermore, the kinetics of the polymerization reaction for petroleum resin production were studied. The results indicated that the optimal conditions were a temperature of 20°C, a catalyst loading of 1.13 wt%, and a residence time of 86 minutes, under which the maximum yield, maximum softening point, and minimum color were 22.5%, 152°C, and 3.7 Gardner, respectively. A comparison of the performance of the AlCl₃ catalyst and the Fe₃O₄@SiO₂@AlCl₃ nanocatalyst showed that, although the molecular weight and softening point of the resin did not change significantly, the use of the nanocatalyst led to a substantial increase in yield from 22.1% to 40.8% (approximately double), while the resin color increased by an average of about 1.5 Gardner units (from 4 to 5.4). Moreover, the use of the modified feed resulted in increased yield, molecular weight, and softening point, as well as reduced resin color, indicating improved stability and quality of the produced resin. The reusability study of the nanocatalyst revealed that after six cycles of recovery and reuse, the polymerization reaction yield decreased by only about 7% (from 98% to 91%), with no significant changes observed in the responses, particularly yield, over these six cycles. These results indicate high catalytic activity and adequate stability of the synthesized nanocatalyst. Additionally, the kinetic study demonstrated that feed modification plays an effective role in improving the petroleum resin production process, such that the reaction rate constant increased from 0.0040 min⁻¹ to 0.0158 min⁻¹ (approximately fourfold), and the final conversion percentage increased from 58% to 98% (about 40%). Finally, a comparison of the method presented in this study with some previous methods showed that conducting the reaction under solvent-free conditions, reducing the reaction time, and the ability to reuse the catalyst for at least six cycles without significant loss of activity are among the outstanding advantages of this research.
استاد راهنما
حميدرضا شاه وردي , وحيد جوانبخت
استاد مشاور
عليرضا نجفي چرمهيني , افسانه فخار
استاد داور
نسرين اعتصامي , عليرضا علافچيان , كيومرث زرگوش , اميرحسين نوارچيان