Thesis (Ph.D.)--Ohio University, August, 2008. / Title from PDF t.p. Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Dave C. Swalm School of Chemical Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Full text release at OhioLINK's ETD Center delayed at author's request

A tecnologia Coal, Gas or Biomass-To-Liquids (XTL) permite a obtenção de combustíveis líquidos a partir de biomassa, carvão mineral ou gás natural. A síntese de catalisadores otimizados constitui um desafio para aumentar a viabilidade desses processos. Neste contexto, por exibirem propriedades catalíticas interessantes para diferentes processos químicos, os óxidos mistos apresentam-se como alternativas promissoras. Entretanto, a sua aplicação nesta tecnologia ainda requer maior investigação. A proposta da tese foi a de avaliar catalisadores baseados em óxidos mistos para a geração de gás de síntese a partir da decomposição do etanol e da reforma do etanol ou do metano. Foram preparadas amostras Fe-Al, Co-Al e Ni-Al pelo método da co-precipitação, sendo caracterizadas por diferentes técnicas. As reações foram conduzidas em reatores tubulares de leito fixo, com alimentação contínua dos reagentes gasosos e líquidos e com análise por cromatografia gasosa. Um melhor compromisso entre propriedades e desempenho catalítico na reação de decomposição do etanol foi observado para amostras com razões molares Ni2+/Al3+ entre 1 e 3, pois esta composição favoreceu a formação dos óxidos mistos. Para materiais baseados em Fe, Co ou Ni, houve a formação de materiais do tipo hidrotalcita nos precursores dos catalisadores Co-Al e Ni-Al, formando óxidos mistos após o tratamento térmico. Foram observadas conversões de etanol e seletividade para H2 e CO mais altas na reação de decomposição do etanol sobre estas amostras. Catalisadores à base de ferro conduziram à maior formação de eteno e acetaldeído e menor deposição de coque. A substituição parcial de Ni por um terceiro elemento modificou o perfil de redução e diminuiu a acidez das amostras. Nas amostras Ni-Al, os catalisadores contendo Zn, Mo ou Co apresentaram maior atividade na reação de reforma a vapor do etanol nas temperaturas de 400 e 450°C. Um aumento na redutibilidade e na área específica foi verificado com a substituição parcial de ferro por cobre ou cobalto nas amostras Fe-Al. A melhoria nas propriedades do material resultou em desempenho superior nos testes de reforma a vapor do etanol, especialmente para o catalisador Co-Fe-Al. Em relação à reforma do metano, foram investigadas amostras Co-Al modificadas com um terceiro elemento. A substituição parcial de Co por um elemento de maior alcalinidade propiciou um incremento na área específica e modificações no perfil de redução, na força ou quantidade de sítios alcalinos e na cristalinidade do material. As alterações nas propriedades do material proporcionaram menor formação de coque, sendo mantidas ou elevadas as conversões de CH4 e CO2. O catalisador Mg-Co-Al apresentou os melhores resultados de atividade, especialmente para o catalisador com razão molar Mg/Co = 0,5 e para ativação na temperatura de 500°C. Desta forma, foi possível avaliar as diferenças entre óxidos mistos contendo diferentes metais ativos para a geração do gás de síntese, bem como a otimização destes catalisadores por meio da adição de promotores. Os óxidos mistos exibiram alta área específica, elevada estabilidade térmica e moderada acidez que conduziram a melhores desempenhos nos diferentes processos estudados. / The Coal or Gas or Biomass-To-Liquids (XTL) technology allows the production of liquid fuels from biomass, mineral coal or natural gas. The synthesis of optimized catalysts is a great challenge for improving the feasibility of these processes. In this context, mixed oxides are promising alternatives as they exhibit interesting catalytic properties for different chemical processes. However, its application for XTL processes still requires further investigation. The purpose of this thesis was to evaluate catalysts based on mixed oxides for the generation of synthesis gas through the decomposition of ethanol and the reforming of ethanol or methane. Fe-Al, Co-Al and Ni-Al samples were prepared by the co-precipitation method and characterized by different techniques. The reactions were conducted using tubular fixed bed reactors. The gaseous and liquid feedstocks were fed continuously and the analysis was performed by gas chromatography. A better commitment between the properties and catalytic performance for the decomposition of ethanol was observed for samples with Ni2+/Al3+ molar ratios between 1 and 3 because this composition favored the formation of the mixed oxides. For the Fe-, Coor Ni-based materials, the formation of hydrotalcite-type materials was identified in the precursors of the Co-Al and Ni-Al catalysts and thus yielding mixed oxides after thermal treatment. Higher conversion of ethanol and selectivity towards H2 and CO for the decomposition of ethanol was observed for these samples. The iron-based catalysts led to higher formation of ethylene and acetaldehyde and a decrease on the coke deposition. The partial substitution of Ni by a third element modified the reduction profile and decreased the acidity of samples. For the Ni-Al samples, the catalysts containing Zn, Mo or Co showed higher activity for the steam reforming of ethanol at 400 and 450°C. An increase in the reducibility and in the specific surface area was verified when iron is partly substituted by copper or cobalt in the Fe-Al samples. The improvement in the properties of the material resulted in a better performance for the steam reforming of ethanol, especially for the Co-Fe-Al catalyst. Regarding the reforming of methane, different Co-Al samples modified with a third element were investigated. The partial substitution of Co by an element with higher basicity provided an increase in the specific surface area and modifications on the reduction profile, in the strength or quantity of the alkalinity sites and in the overall crystallinity of the material. The changes in the properties provided smaller coke formation while maintaining or even increasing the CO2 and CH4 conversions. The Mg-Co-Al catalyst exhibited the best activity results, especially for the catalyst with Mg/Co molar ratio of 0.5 and for activation at 500°C. Therefore, it was possible to evaluate the differences between the mixed oxides based on different active metals for the generation of the synthesis gas, as well as the optimization of these catalysts through the addition of promoters. The mixed oxides exhibited high specific surface area, high thermal stability and moderate acidity that led to better performance for the different studied processes.

A fermentação anaeróbia da matéria orgânica produz uma mistura de gases chamada biogás. Este biogás contém CH4 e CO2 como componentes majoritários. Estes dois compostos são gases de efeito estufa e sua utilização é muito importante do ponto de vista ambiental e econômico. O presente trabalho teve por objetivo produzir gás de síntese (H2/CO), uma matéria prima de alto valor industrial, a partir da reforma oxidativa do biogás com adição de oxigênio (1,5CH4+1,0CO2+0,25O2) sobre catalisadores de NiO-MgO-ZrO2 e NiO-Y2O3-ZrO2. Os catalisadores foram preparados usando o método de polimerização numa única etapa e foi estudada a variação do teor de MgO e de Y2O3 contido nas amostras. Estes materiais foram caracterizados por DRX, RTP, Adsorção-dessorção de N2, XPS, XAS-XANES, MEV e EDX e foram avaliados na reação de reforma oxidativa de um biogás modelo (composição molar:1,5 CH4/1CO2) em presença de oxigênio, a 750&deg;C e 1atm, visando à obtenção de gás de síntese. Os teores de MgO utilizados no sistema NiO/MgO/ZrO2 foram de 0%, 4%, 20%, 40% e 100% em relação ao ZrO2 (os mesmos teores foram utilizados para Y2O3 no sistema NiO/Y2O3/ZrO2) e o teor mássico de Ni foi 20%. As análises de DRX, TPR, XPS confirmaram a formação das soluções sólidas NiO-MgO e MgO-ZrO2 nos catalisadores NiO-MgO-ZrO2, e das soluções sólidas NiO-Y2O3 e Y2O3-ZrO2 nos catalisadores NiO-Y2O3-ZrO2. Estas soluções sólidas juntas, nos correspondentes catalisadores, melhoraram o desempenho catalítico, levando a altos valores de conversão e baixas taxas de deposição de coque. O teor de MgO ótimo foi de 20%mol no sistema NiO/MgO/ZrO2, e de 20% e 40% mol de Y2O3 no sistema NiO/Y2O3/ZrO2. Nos catalisadores NiO-MgO-ZrO2, a solução sólida NiO-MgO favoreceu principalmente a reação de reforma seca do metano (CH4+CO2), enquanto que nos catalisadores NiO-Y2O3-ZrO2 a solução sólida Y2O3-ZrO2 favoreceu principalmente à oxidação parcial do metano (CH4+1/2O2). Os catalisadores Ni20MZ e Ni20YZ apresentaram resultados promissores para a reforma oxidativa de biogás em presença de oxigênio sendo estes catalisadores melhores do que uma amostra comercial de Ni/Al2O3 (20%Ni) testada nas mesmas condições de reação. A razão H2/CO nos produtos das reações sobre os melhores catalisadores foi muito próxima de 1,0; o que permite seu uso direto em diversas reações, como reação de Fischer-Tropsch, síntese direta de dimetil-éter (processo STD) e síntese de formaldeído. / The anaerobic fermentation of the organic material produces a mixture of gases called biogas. This biogas contains CH4 and CO2 as major components. These two compounds are greenhouse gases and their use are very important from the environmental and economic point of view. The present study aimed to produce synthesis gas (H2/CO), a high-value raw material for the chemical industry, from the oxidative reforming of biogas using oxygen (1.5CH4 +1.0CO2+0.25O2) over NiO-MgO-ZrO2 and NiO-Y2O3-ZrO2 catalysts. These catalysts were prepared by the one-step polymerization method. The variation content of MgO and Y2O3 in each catalyst was studied. These materials were characterized by XRD, TPR, adsorption-desorption of N2, XPS, XAS, SEM and EDX; they were evaluated in the oxidative reforming reaction of a model biogas (molar composition: 1.5 CH4/1CO2) in the presence of oxygen at 750 &deg;C and 1atm, aiming to produce synthesis gas.<br /> The content of MgO in the NiO/MgO/ZrO2 system was varied ranging from 0-100% (0%, 4%, 20%, 40% and 100%mol in relation to ZrO2) , the same contents were used for the Y2O3 in the NiO/Y2O3/ZrO2 system. All catalysts had 20% wt of Ni. The XRD, TPR and XPS confirmed the formation of NiO-MgO and the MgO-ZrO2 solid solutions in the NiO-MgO-ZrO2 catalysts; and NiO-Y2O3 and Y2O3-ZrO2 solid solutions in the NiO-Y2O3-ZrO2 catalysts. These solid solutions together, in the corresponding catalysts, inproved the catalytic performance, leading to high conversion rates and low carbon deposition rates. The optimum MgO content was 20mol% for the NiO/MgO/ZrO2 system and 20% and 40mol% of Y2O3 for the NiO/Y2O3/ZrO2 system. In the NiO-MgO-ZrO2 catalysts, the NiO-MgO solid solution promoted primarily the dry reforming reaction of methane (CH4 + CO2), while in the NiO-Y2O3-ZrO2 catalysts, the Y2O3-ZrO2 solid solution primarily favored the partial oxidation of methane (CH4 + 1/2O2). The Ni20MZ and Ni20YZ catalysts showed promising results for the oxidative reforming of biogas in the presence of oxygen; these catalysts being better than a commercial catalysts (Ni/Al2O3; 20%wt Ni) tested under the same reaction conditions. The H2/CO ratio in the reaction products over the best catalysts was very close to 1.0, which allows its direct use in various processes such as Fischer-Tropsch process, Syngas-to-dimethyl-ether process (STD) and in the synthesis of formaldehyde.

A tecnologia Coal, Gas or Biomass-To-Liquids (XTL) permite a obtenção de combustíveis líquidos a partir de biomassa, carvão mineral ou gás natural. A síntese de catalisadores otimizados constitui um desafio para aumentar a viabilidade desses processos. Neste contexto, por exibirem propriedades catalíticas interessantes para diferentes processos químicos, os óxidos mistos apresentam-se como alternativas promissoras. Entretanto, a sua aplicação nesta tecnologia ainda requer maior investigação. A proposta da tese foi a de avaliar catalisadores baseados em óxidos mistos para a geração de gás de síntese a partir da decomposição do etanol e da reforma do etanol ou do metano. Foram preparadas amostras Fe-Al, Co-Al e Ni-Al pelo método da co-precipitação, sendo caracterizadas por diferentes técnicas. As reações foram conduzidas em reatores tubulares de leito fixo, com alimentação contínua dos reagentes gasosos e líquidos e com análise por cromatografia gasosa. Um melhor compromisso entre propriedades e desempenho catalítico na reação de decomposição do etanol foi observado para amostras com razões molares Ni2+/Al3+ entre 1 e 3, pois esta composição favoreceu a formação dos óxidos mistos. Para materiais baseados em Fe, Co ou Ni, houve a formação de materiais do tipo hidrotalcita nos precursores dos catalisadores Co-Al e Ni-Al, formando óxidos mistos após o tratamento térmico. Foram observadas conversões de etanol e seletividade para H2 e CO mais altas na reação de decomposição do etanol sobre estas amostras. Catalisadores à base de ferro conduziram à maior formação de eteno e acetaldeído e menor deposição de coque. A substituição parcial de Ni por um terceiro elemento modificou o perfil de redução e diminuiu a acidez das amostras. Nas amostras Ni-Al, os catalisadores contendo Zn, Mo ou Co apresentaram maior atividade na reação de reforma a vapor do etanol nas temperaturas de 400 e 450°C. Um aumento na redutibilidade e na área específica foi verificado com a substituição parcial de ferro por cobre ou cobalto nas amostras Fe-Al. A melhoria nas propriedades do material resultou em desempenho superior nos testes de reforma a vapor do etanol, especialmente para o catalisador Co-Fe-Al. Em relação à reforma do metano, foram investigadas amostras Co-Al modificadas com um terceiro elemento. A substituição parcial de Co por um elemento de maior alcalinidade propiciou um incremento na área específica e modificações no perfil de redução, na força ou quantidade de sítios alcalinos e na cristalinidade do material. As alterações nas propriedades do material proporcionaram menor formação de coque, sendo mantidas ou elevadas as conversões de CH4 e CO2. O catalisador Mg-Co-Al apresentou os melhores resultados de atividade, especialmente para o catalisador com razão molar Mg/Co = 0,5 e para ativação na temperatura de 500°C. Desta forma, foi possível avaliar as diferenças entre óxidos mistos contendo diferentes metais ativos para a geração do gás de síntese, bem como a otimização destes catalisadores por meio da adição de promotores. Os óxidos mistos exibiram alta área específica, elevada estabilidade térmica e moderada acidez que conduziram a melhores desempenhos nos diferentes processos estudados. / The Coal or Gas or Biomass-To-Liquids (XTL) technology allows the production of liquid fuels from biomass, mineral coal or natural gas. The synthesis of optimized catalysts is a great challenge for improving the feasibility of these processes. In this context, mixed oxides are promising alternatives as they exhibit interesting catalytic properties for different chemical processes. However, its application for XTL processes still requires further investigation. The purpose of this thesis was to evaluate catalysts based on mixed oxides for the generation of synthesis gas through the decomposition of ethanol and the reforming of ethanol or methane. Fe-Al, Co-Al and Ni-Al samples were prepared by the co-precipitation method and characterized by different techniques. The reactions were conducted using tubular fixed bed reactors. The gaseous and liquid feedstocks were fed continuously and the analysis was performed by gas chromatography. A better commitment between the properties and catalytic performance for the decomposition of ethanol was observed for samples with Ni2+/Al3+ molar ratios between 1 and 3 because this composition favored the formation of the mixed oxides. For the Fe-, Coor Ni-based materials, the formation of hydrotalcite-type materials was identified in the precursors of the Co-Al and Ni-Al catalysts and thus yielding mixed oxides after thermal treatment. Higher conversion of ethanol and selectivity towards H2 and CO for the decomposition of ethanol was observed for these samples. The iron-based catalysts led to higher formation of ethylene and acetaldehyde and a decrease on the coke deposition. The partial substitution of Ni by a third element modified the reduction profile and decreased the acidity of samples. For the Ni-Al samples, the catalysts containing Zn, Mo or Co showed higher activity for the steam reforming of ethanol at 400 and 450°C. An increase in the reducibility and in the specific surface area was verified when iron is partly substituted by copper or cobalt in the Fe-Al samples. The improvement in the properties of the material resulted in a better performance for the steam reforming of ethanol, especially for the Co-Fe-Al catalyst. Regarding the reforming of methane, different Co-Al samples modified with a third element were investigated. The partial substitution of Co by an element with higher basicity provided an increase in the specific surface area and modifications on the reduction profile, in the strength or quantity of the alkalinity sites and in the overall crystallinity of the material. The changes in the properties provided smaller coke formation while maintaining or even increasing the CO2 and CH4 conversions. The Mg-Co-Al catalyst exhibited the best activity results, especially for the catalyst with Mg/Co molar ratio of 0.5 and for activation at 500°C. Therefore, it was possible to evaluate the differences between the mixed oxides based on different active metals for the generation of the synthesis gas, as well as the optimization of these catalysts through the addition of promoters. The mixed oxides exhibited high specific surface area, high thermal stability and moderate acidity that led to better performance for the different studied processes.

A tecnologia Coal, Gas or Biomass-To-Liquids (XTL) permite a obtenção de combustíveis líquidos a partir de biomassa, carvão mineral ou gás natural. A síntese de catalisadores otimizados constitui um desafio para aumentar a viabilidade desses processos. Neste contexto, por exibirem propriedades catalíticas interessantes para diferentes processos químicos, os óxidos mistos apresentam-se como alternativas promissoras. Entretanto, a sua aplicação nesta tecnologia ainda requer maior investigação. A proposta da tese foi a de avaliar catalisadores baseados em óxidos mistos para a geração de gás de síntese a partir da decomposição do etanol e da reforma do etanol ou do metano. Foram preparadas amostras Fe-Al, Co-Al e Ni-Al pelo método da co-precipitação, sendo caracterizadas por diferentes técnicas. As reações foram conduzidas em reatores tubulares de leito fixo, com alimentação contínua dos reagentes gasosos e líquidos e com análise por cromatografia gasosa. Um melhor compromisso entre propriedades e desempenho catalítico na reação de decomposição do etanol foi observado para amostras com razões molares Ni2+/Al3+ entre 1 e 3, pois esta composição favoreceu a formação dos óxidos mistos. Para materiais baseados em Fe, Co ou Ni, houve a formação de materiais do tipo hidrotalcita nos precursores dos catalisadores Co-Al e Ni-Al, formando óxidos mistos após o tratamento térmico. Foram observadas conversões de etanol e seletividade para H2 e CO mais altas na reação de decomposição do etanol sobre estas amostras. Catalisadores à base de ferro conduziram à maior formação de eteno e acetaldeído e menor deposição de coque. A substituição parcial de Ni por um terceiro elemento modificou o perfil de redução e diminuiu a acidez das amostras. Nas amostras Ni-Al, os catalisadores contendo Zn, Mo ou Co apresentaram maior atividade na reação de reforma a vapor do etanol nas temperaturas de 400 e 450°C. Um aumento na redutibilidade e na área específica foi verificado com a substituição parcial de ferro por cobre ou cobalto nas amostras Fe-Al. A melhoria nas propriedades do material resultou em desempenho superior nos testes de reforma a vapor do etanol, especialmente para o catalisador Co-Fe-Al. Em relação à reforma do metano, foram investigadas amostras Co-Al modificadas com um terceiro elemento. A substituição parcial de Co por um elemento de maior alcalinidade propiciou um incremento na área específica e modificações no perfil de redução, na força ou quantidade de sítios alcalinos e na cristalinidade do material. As alterações nas propriedades do material proporcionaram menor formação de coque, sendo mantidas ou elevadas as conversões de CH4 e CO2. O catalisador Mg-Co-Al apresentou os melhores resultados de atividade, especialmente para o catalisador com razão molar Mg/Co = 0,5 e para ativação na temperatura de 500°C. Desta forma, foi possível avaliar as diferenças entre óxidos mistos contendo diferentes metais ativos para a geração do gás de síntese, bem como a otimização destes catalisadores por meio da adição de promotores. Os óxidos mistos exibiram alta área específica, elevada estabilidade térmica e moderada acidez que conduziram a melhores desempenhos nos diferentes processos estudados. / The Coal or Gas or Biomass-To-Liquids (XTL) technology allows the production of liquid fuels from biomass, mineral coal or natural gas. The synthesis of optimized catalysts is a great challenge for improving the feasibility of these processes. In this context, mixed oxides are promising alternatives as they exhibit interesting catalytic properties for different chemical processes. However, its application for XTL processes still requires further investigation. The purpose of this thesis was to evaluate catalysts based on mixed oxides for the generation of synthesis gas through the decomposition of ethanol and the reforming of ethanol or methane. Fe-Al, Co-Al and Ni-Al samples were prepared by the co-precipitation method and characterized by different techniques. The reactions were conducted using tubular fixed bed reactors. The gaseous and liquid feedstocks were fed continuously and the analysis was performed by gas chromatography. A better commitment between the properties and catalytic performance for the decomposition of ethanol was observed for samples with Ni2+/Al3+ molar ratios between 1 and 3 because this composition favored the formation of the mixed oxides. For the Fe-, Coor Ni-based materials, the formation of hydrotalcite-type materials was identified in the precursors of the Co-Al and Ni-Al catalysts and thus yielding mixed oxides after thermal treatment. Higher conversion of ethanol and selectivity towards H2 and CO for the decomposition of ethanol was observed for these samples. The iron-based catalysts led to higher formation of ethylene and acetaldehyde and a decrease on the coke deposition. The partial substitution of Ni by a third element modified the reduction profile and decreased the acidity of samples. For the Ni-Al samples, the catalysts containing Zn, Mo or Co showed higher activity for the steam reforming of ethanol at 400 and 450°C. An increase in the reducibility and in the specific surface area was verified when iron is partly substituted by copper or cobalt in the Fe-Al samples. The improvement in the properties of the material resulted in a better performance for the steam reforming of ethanol, especially for the Co-Fe-Al catalyst. Regarding the reforming of methane, different Co-Al samples modified with a third element were investigated. The partial substitution of Co by an element with higher basicity provided an increase in the specific surface area and modifications on the reduction profile, in the strength or quantity of the alkalinity sites and in the overall crystallinity of the material. The changes in the properties provided smaller coke formation while maintaining or even increasing the CO2 and CH4 conversions. The Mg-Co-Al catalyst exhibited the best activity results, especially for the catalyst with Mg/Co molar ratio of 0.5 and for activation at 500°C. Therefore, it was possible to evaluate the differences between the mixed oxides based on different active metals for the generation of the synthesis gas, as well as the optimization of these catalysts through the addition of promoters. The mixed oxides exhibited high specific surface area, high thermal stability and moderate acidity that led to better performance for the different studied processes.

[pt] Existe uma crise energética devido ao excessivo consumo do petróleo e à contaminação em suas diversas formas. Há enormes reservas de gás natural e a conversão deste gás em combustíveis líquidos a partir do gás de síntese, que vem do gás natural, via metanol, e posterior transformação do metanol em hidrocarbonetos é uma interessante alternativa. Catalisadores híbridos formados por um catalisador de síntese de metanol e um material ácido poroso, geralmente uma zeólita, são empregados para esta síntese direta. Seis famílias de catalisadores híbridos foram sintetizadas onde diversas variáveis foram testadas como: método de preparação do catalisador híbrido, método de preparação do catalisador de síntese de metanol, fase ativa, razão catalisador de síntese de metanol/zeólita, acidez da zeólita e diferente promotor. A zeólita empregada em todos os sistemas foi a H-ferrierita. O método de preparação influenciou nas propriedades estruturais, texturais, morfológicas, ácidas e catalíticas do catalisador híbrido. O melhor método de preparação do catalisador híbrido foi o método de coprecipitação-sedimentação que se mostrou mais ativo em temperaturas acima de 300°C. Observaram-se diferenças morfológicas nas partículas do catalisador de síntese de metanol (CSM) quando diferentes métodos de preparação foram empregados. O cobre, entre as fases ativas, mostrou-se a melhor na síntese direta de hidrocarbonetos a partir do gás de síntese em temperaturas acima de 300°C. A melhor razão catalisador de síntese de metanol/zeólita, nesta síntese direta, foi de 2:1. O cromo no sistema Cu-Zn-Al favoreceu a atividade em 250°C. Baixas razões acidez total/área de Cu(0) e altas temperaturas (350 e 400°C) favoreceram maiores conversões e seletividades em propano e butano, baixas temperaturas (300°C) favoreceram a formação de DME. Altas razões acidez total/área de Cu(0) favoreceram a formação de etano. A distribuição dos produtos na síntese direta de hidrocarbonetos a partir do gás de síntese foi dependente da temperatura de reação. Éter dimetílico apresentou um máximo em 300ºC. A síntese do metanol, parece ser a etapa limitante do processo. / [en] An energy crisis due to the extreme consumption of the oil and to the contamination in its diverse forms exists. There are enormous natural gas reserves and the conversion of this gas in liquid fuels from the synthesis gas, through methanol, and posterior transformation of methanol in hydrocarbons is an interesting alternative. Hybrid catalysts based in methanol synthesis catalyst and an acidic porous material such as zeolites, are used for this direct synthesis. Six groups of hybrid catalyst were prepared and several properties studied such: preparation method of the hybrid catalyst, preparation method of the methanol synthesis catalyst, active site, CuO-ZnO-Al(2)O(3)/H- ferrierite ratio, acidity of the zeolite and different promoter. The zeolite used in all the systems was the ferrierite. The preparation method influenced the structural, textural, morphologic, acid and catalytic properties of the hybrid catalyst. The coprecipitationsedimentation method was more active in temperatures above 300°C. Morphologic differences in particles of the catalyst of methanol synthesis were observed when different preparation methods were used. The copper as active site was the better in the direct synthesis of hydrocarbons from synthesis gas in temperatures above 300°C. The best CuO-ZnO-Al(2)O(3)/H- ferrierite catalyst ratio, in this direct synthesis, was 2:1. The chromium in the Cu-Zn- Al system favored the activity in 250°C. Low acidity/metallic area Cu(0) ratio and high temperatures (350 and 400°C) favored higher activities and selectivities in propane and butane, lower temperatures (300°C) favored the DME formation. High acidity/metallic area Cu(0) ratio favored the formation of ethane. The hydrocarbons distribution was dependent on the reaction temperature. Dimethyl ether showed a maximum at 300°C. The methanol, seens to be the limitant step of the process.

Biomass-derived hydrocarbons that include gasoline, diesel, and jet fuel will help replace finite fossil fuel hydrocarbons of the same range. This study showed that temperature could be controlled in a scaled-up reactor system using three types of syngas. The CO conversion, selectivity and amount of product created from each type of syngas were examined. Clean syngas composed of 40% H2, 20% CO, 12% CO2, 2% CH4, and 26 % N2 was used to test ideal stoichiometric molar values. Clean syngas composed of 19% H2, 20% CO, 12% CO2, 2% CH4, and 47 % N2 was used to test an ideal contaminateree synthesis gas situation to mimic our particular downdraft gasifier. Gasifier wood syngas composed of 19% H2, 20% CO, 12% CO2, 2% CH4, 46 % N2, and 1% O2 was used in this study to determine the feasibility of using gasified biomass syngas to produce gasolinerange hydrocarbons.

Ignition and oxidation characteristics of CO/H2, H2/O2 and CO/H2/CH4/CO2/Ar fuel blends in air were studied using both experimental and computer simulation methods. Shock-tube experiments were conducted behind reflected shock waves at intermediate temperatures (825 < T < 1400 K) for a wide range of pressures (1 < P < 45 atm). Results of this study provide the first undiluted fuel-air ignition delay time experiments to cover such a wide range of syngas mixture compositions over the stated temperature range. Emission in the form of chemiluminescence from the hydroxyl radical (OH*) transition near 307 nm and the pressure behind the reflected shock wave were used to monitor reaction progress from which ignition delay times were determined. In addition to the experimental analysis, chemical kinetics calculations were completed to compare several chemical kinetics mechanisms to the new experimental results. Overall, the models were in good agreement with the shock-tube data, especially at higher temperatures and lower pressures, yet there were some differences between the models at higher pressures and the lowest temperatures, in some cases by as much as a factor of five. In order to discern additional information from the chemical kinetics mechanisms regarding their response to a wide range of experimental conditions, ignition delay time and reaction rate sensitivity analyses were completed at higher and lower temperatures and higher and lower pressures. These two sensitivity analyses allow for the identification of the key reactions responsible for ignition. The results of the sensitivity analysis indicate that the ignition-enhancing reaction H + O2 = O + OH and hydrogen oxidation kinetics in general were most important regardless of mixture composition, temperature or pressure. However, lower-temperature, higher-pressure ignition delay time results indicate additional influence from HO2- and CO- containing reactions, particularly the well-known H + O + M = HO2 + M reaction and also the CO + O + M = CO2 + M and CO + HO2 = CO2 + OH reactions. Differences in the rates of the CO-related reactions are shown to be the cause of some of the discrepancies amongst the various models at elevated pressures. However, the deviation between the models and the experimental data at the lowest temperatures could not be entirely explained by discrepancies in the current rates of the reactions contained within the mechanisms. Additional calculations were therefore performed to gain further understanding regarding the opposing ignition behavior for calculated and measured ignition delay time results. Impurities, friction induced ionization, static charge accumulation, boundary layer effects, wall reaction effects, and revised chemical kinetics were all considered to be possible mechanisms for the model and measured data disparity. For the case of wall-reaction effects, additional shock-tube experiments were conducted. For the remaining effects listed above, only detailed calculations were conducted. Results from this preliminary anomaly study are at this time inconclusive, but likely avenues for future study were identified. Additional kinetics calculations showed that the large difference between the experimental data and the chemical kinetics models predictions at low temperatures can be explained by at least one missing reaction relevant to low-temperature and high-pressure experimental conditions involving the formation of H2O2, although further study beyond the scope of this thesis is required to prove this hypothesis both theoretically and experimentally.