در اين اختراع، نانوكاتاليست Pt(1wt. %)/Al2O3-CeO2(30wt. %) به روش اولتراسوند با موفقيت سنتز و با استفاده از تكنولوژي پلاسما پسافرآوري شد. بمنظور مقايسه و بررسي تأثير بكارگيري فناوري-هاي اولتراسند و پلاسما بر كارآيي كاتاليستي، دسته¬اي از كاتاليست¬هاي Pt/Al2O3-CeO2 با روش¬هاي تلقيحي و تلقيحي فرآوري شده با استفاده از فناوري پلاسما و يا اولتراسند نيز سنتز گرديد. آناليزهاي XRD، FE-SEM، EDX، FTIR و نيز آناليز جذب-واجذب نيتروژن جهت تعيين خصوصيات نانوكاتاليست¬هاي سنتزي بكار گرفته شد و در نهايت كارآيي آنها در فرآيند اكسيداسيون كاتاليستي تولوئن مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج حاصل از XRD مؤيد تشكيل فاز كريستالي مكعب شكل اكسيد سريم با اندازه سايز كريستالي تقريباً 7/8 نانومتر، بدست آمده توسط رابطه شرر، در ساختار نانوكاتاليست براي تمامي نمونه ها مي باشد. بعلاوه، اين نتايج نشان داد كه بكارگيري تكنولوژي هاي پلاسما و اولتراسند در سنتز كاتاليست تلقيحي Pt/Al2O3-CeO2 تأثير محسوسي بر ساختار و ميزان بلورينگي كاتاليست ندارند. تصاوير FESEM و EDX بيانگر سنتز تمامي نمونه ها در مقياس نانومتري با توزيع يكنواختي از نانوذرات بر روي سطح مي¬باشند. نانوذرات تشيكل شده بر روي سطح نمونه سنتزي درنتيجه بكارگيري توأمان فناوري¬هاي پلاسما و اولتراسند، اندازه كوچكتر و يكنواخت تر و نيز توزيع بهتري بخصوص در مقايسه با نمونه تلقيحي دارند بطوريكه متوسط اندازه ذرات نانوكاتاليست سنتزي در اختراع حاضر تقريباً 46 نانومتر بوده و همچنين 100% ذرات آن در بازه 80-20 نانومتري قرار دارند. اگرچه ايزوترم¬هاي جذب-واجذب نيتروژن مؤيد وجود ساختار مزو با حجم و قطر حفرات و نيز سطح ويژه بالا در تمامي نمونه¬هاي تهيه شده است، ولي مي¬توان گفت كه نمونه سنتزي با بكارگيري توأمان تكنولوژي¬هاي پلاسما و اولتراسند خواص سطحي بهبود يافته¬اي از خود نشان مي¬دهد كه در تطابق با نتايج حاصل از آناليز FESEM مي¬باشد. بطور كلي، اين مشاهدات بيانگر اثرات مثبت بكارگيري تكنولوژي هاي پلاسما و اولتراسوند در سنتز كاتاليست بر مورفولوژي و توزيع ذرات نمونه سنتزي به روش تلقيح و در نتيجه بهبود خواص سطحي كاتاليست مي باشند. نتايج ارزيابي راكتوري نشان داد كه با افزايش دما ميزان فعاليت كاتاليستي تمامي نمونه¬ها افزايش مي¬يابد. بعلاوه، نتايج حاصل حاكي از آن است كه در تمامي دماها ميزان فعاليت كاتاليست¬هاي فرآوري شده بخصوص نمونه اولتراسوندي بهبود يافته با پلاسما بيش از كاتاليست تلقيحي بوده و دماي فعاليت كاتاليست Pt/Al2O3-CeO2 از C◦300 به C◦180 كاهش مي¬يابد. مشاهده مي¬شود كه كاتاليست سنتز شده حتي در شرايط عملياتي تقريباً صنعتي يعني غلظت ها و WHSVي بالا، هم توانايي بسيار مناسبي براي حذف تولوئن دارد. با بررسي روند پايداري نانوكاتاليست سنتزي در اختراع حاضر در دو دماي 180 و C◦240 به مدت 24 ساعت مشاهده شد كه فعاليت كاتاليست سنتزي با بكارگيري توأمان فناوري¬هاي پلاسما و اولتراسند دچار تغيير محسوسي نخواهد شد.

مهمترين چالش پيش روي فرآيند هيدروژن گيري اكسايشي از اتان، يافتن كاتاليست هاي پربازده مي باشد. خواص اسيدي-بازي نامطلوب و نيز تشكيل ذرات كروم (Cr3+) پليمري و Cr2O3 كريستالي از دلايل اصلي كارآيي نه چندان مطلوب كاتاليست هاي كروم بنيان بشمار مي روند. يكي از راهكارها در راستاي سنتز كاتاليست هاي موفق براي اين فرآيند، حصول توزيع بالايي از نانوذرات كروم در مقادير بارگذاري تا حد امكان بالاي آنها بواسطه پايه اي با خواص اسيدي-بازي و ساختاري مناسب مي باشد. در اين اختراع، نانوكاتاليست هاي كروم بر پايه كلينوپتيلوليت به روش تلقيح سنتز گرديدند. بمنظور بهبود خواص سطحي و ساختاري كاتاليست و حل مشكل ناهمگني نمونه استخراجي، كلينوپتيلوليت با اسيد نيتريك، نيترات آمونيوم و تركيبي از اين دو (روش تركيبي) فرآوري گرديد. توزيع مناسب ذرات كروم و وجود سايت هايي با قدرت اسيدي ضعيف از ويژگي هاي بارز كاتاليست هاي مورد ادعا است كه فعاليت و انتخاب پذيري مطلوب اتيلن (بيش از 95%) را بدنبال دارد. فرآوري كلينوپتيلوليت به روش تركيبي، سبب افزايش 3 برابري سطح، مورفولوژي يكنواخت و بهبود قابل ملاحظه توزيع كروم مي شود كه به پايداري بالا و افزايش 10% راندمان توليد اتيلن (1/39%) در مقايسه با كلينوپتيلوليت خام منتج مي گردد. داشتن اندازه ذرات نانومتري با توزيع نسبتاً باريك، با متوسط اندازه ذرات 67 نانومتر از ديگر ويژگي هاي مطلوب بحساب مي آيد.

در اين اختراع، نانوكاتاليست هاي Cr/TiO2-ZrO2 با پايه كامپوزيتي براي اولين بار در فرآيند تبديل اكسايشي اتان به اتيلن در حضور دي اكسيد كربن سنتز شده و مورد ارزيابي قرار گرفته است. بدين منظور پايه هاي TiO2-ZrO2 با درصد هاي وزني 0، 25، 50، 75 و 100% زيركونيا به روش رسوبي سنتز گرديده و سپس 5% وزني فاز فعال Cr2O3 به روش تلقيح بر روي آن ها نشانده شده است. نانوكاتاليست هاي سنتز شده با آناليزهاي XRD،FESEM ، EDX، FTIR و نيز آناليز سطح مخصوص تعيين خصوصيات گرديد و در نهايت كارايي آن ها در فرآيند تبديل اكسايشي اتان به اتيلن در حضور دي اكسيد كربن مورد ارزيابي قرار گرفت. به طور كلي نتايج آناليز تعيين خصوصيات حاكي از اين است كه تركيب مقادير مختلف ZrO2 و TiO2 در سنتز پايه ها تأثير بسزايي در ساختار كريستالي، خواص ساختاري و فعاليت كاتاليستي در فرآيند تبديل اكسايشي اتان به اتيلن در حضور دي اكسيد كربن به عنوان عامل اكسنده ملايم دارد. بالاترين فعاليت كاتاليستي و راندمان توليد اتيلن در استفاده از تركيب 75 درصد وزني TiO2 و 25 درصد وزني ZrO2 به عنوان پايه حاصل شد كه مي تواند به ذرات ريزتر، سطح ويژه بالاتر، توزيع بهتر فاز فعال و مورفولوژي همگن نمونه (Cr/TiO2(75)-ZrO2(25 نسبت داده شود.

آلكان ها، براي فعال شدن به دماي بالا نياز دارند. دماي بالا منجر به كراكينگ حرارتي شده و در اثر واكنش هاي جانبي، بازده توليد اتيلن كاهش مي يابد. روش هيدروژن گيري اكسايشي آلكان ها در حضور كاتاليست به‌دليل نداشتن محدوديت روش هاي مرسوم و كاهش دماي واكنش و هزينه هاي مربوط به آن جايگزين مناسبي مي باشد. در اين اختراع، به منظور دست يابي به محيط اكسايشي مناسب از نظر قدرت اكسيدكنندگي مخلوط دي اكسيدكربن و اكسيژن استفاده شد. همچنين، در نانوكاتاليست Ni/MgO تقويت شده با زيركونيا سنتز شده به روش سل-ژل براي تبديل اتان به اتيلن، خواص اسيدي زيركونيا (زيركونيم اكسيد) با نقش اساسي در فعال سازي اولين پيوند اتان، به همراه خواص بازي منيزيم اكسيد جهت دفع اتيلن توليدي از سطح، تبديل و انتخاب پذيري فرآيند را بهبود مي بخشند. به منظور بهبود خواص ساختاري كاتاليست و ويژگي هاي اسيدي-بازي درصد منيزيم اكسيد و زيركونيم اكسيد تغيير داده شد. در نسبت 3/1 : MgO/ZrO2 كوچكترين اندازه ي كريستال، ذرات نانومتري، توزيع يكنواخت عناصر و سطح ويژه ي بالا مشاهده شد. همچنين، زيركونيم اكسيد با افزايش تبديل و منيزيم اكسيد با افزايش انتخاب پذيري كاتاليست، مقادير تبديل اتان و راندمان توليد اتيلن را در نسبت وزني 3/1 : MgO/ZrO2 به ترتيب به بيش از 64 و 56% در دماي بالا مي رساند كه از مهم ترين ويژگي هاي كاتاليست سنتز شده است.

در اختراع حاضر نانوكامپوزيت ‏Cr-La/MCM-41‎‏ حاوي مقادير مختلف لانتانيوم به روش هيدروترمال- ‏تلقيح سنتز شد. آناليزهاي ‏XRD، ‏FESEM، ‏EDAX، ‏FTIR‏ و ‏BET‏ جهت تعيين خصوصيات ‏نانوكامپوزيت¬هاي سنتزي به كار گرفته شد و كارايي آن¬ها در فرآيند هيدروژن¬گيري اكسايشي اتان در ‏حضور دي¬اكسيد¬كربن مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج آناليز ‏XRD‏ مؤيد تشكيل ساختار كريستالي ‏MCM-‎‎41‎‏ و ‏Cr2O3‎‏ و ساختار آمورف اكسيد لانتانيوم مي¬باشد. تصاوير ‏FESEM‏ نشان داد نانوكامپوزيت مورد ‏ادعاي حاوي 4 درصد وزني فلز لانتانيوم داراي مورفولوژي بهتر با اندازه¬ي ذرات ريزتر و توزيع اندازه¬ي ‏ذرات يكنواخت¬تر نسبت به ساير نمونه¬ها مي¬باشد. نتايج آناليز ‏BET‏ با سطح ويژه¬ي بسيار بالا در حدود ‏m2/gr‎‏ 973-613 فعاليت بالاي نانوكامپوزيت ها در اثر پخش¬شوندگي بالاي فاز فعال را تأييد مي¬كند. نتايج ‏ارزيابي راكتوري نشان داد فعاليت و بازده نانوكامپوزيت ‏Cr(8%)La(4%)/MCM-41‎‏ در تمامي دماها بيش-‏تر از ساير نمونه¬ها بود. بنابراين نانوكامپوزيت ‏Cr(8%)-La(4%)/MCM-41‎‏ مورد ادعا با تبديل 45%، ‏انتخاب¬پذيري 84% و بازده 38% در دماي ‏C‏700 بهترين عملكرد را از خود نشان داد كه ناشي از توزيع ‏اندازه¬ي ذرات بالاتر، خواص اسيدي-بازي و ردوكس بهبود يافته¬ي آن نسبت به ساير نمونه¬ها مي¬باشد. ‏همچنين، نانوكامپوزيت ذكر شده پايداري بسيار بالايي از خود نشان داد، به طوري كه در مدت 10 ساعت ‏تست پايداري به عمل آمده هيچ¬گونه افتي در فعاليت كاتاليستي مشاهده نشد‏.

مهمترين چالش‎ ‎پيش روي فرآيند احياء فوتوكاتاليستي كروم شش ظرفيتي، يافتن فوتوكاتاليست‌هايي ‏پربازده با قابليت استفاده مجدد مي¬باشد. سطح ويژه پايين و بازتركيب سريع جفت الكترون-حفره از دلايل ‏اصلي كارآيي نه‌چندان مطلوب روي اكسيد بشمار مي¬روند. يكي از راهكارها در راستاي سنتز ‏فوتوكاتاليست‌هايي كارآمد براي اين فرآيند، حصول توزيع بالايي از نانوذرات روي اكسيد بواسطه پايه¬اي با ‏خواص سطحي و ساختاري مناسب مي¬باشد. در اين اختراع، نانوكامپوزيت روي اكسيد -¬زئوليت ‏HZSM-5‎‏ ‏به روش تلقيح سنتز گرديد. بمنظور بهبود خواص سطحي و ساختاري و حل مشكل بازتركيب سريع جفت ‏الكترون-حفره و در پي آن راندمان پايين، نانو ذرات روي اكسيد بروي پايه زئوليتي تثبيت گرديد. توزيع ‏مناسب نانو ذرات روي اكسيد، وجود سايت¬هايي با قدرت جذب بالا و همچنين ساختاري مقاوم در برابر ‏خوردگي نوري از ويژگي¬هاي بارز نانوكامپوزيت مورد ادعا است كه بازده مطلوب احياء كروم (بيش از 95%) ‏را بدنبال دارد. تثبيت نانو ذرات روي اكسيد بروي پايه زئوليتي، سبب افزايش چشمگير سطح ويژه، ‏مورفولوژي يكنواخت، برهمكنش قوي پايه-فاز فعال، تشكيل نانوذرات روي اكسيد با ابعادي در حدود 40 ‏نانومتر با توزيعي بسيار باريك و بهبود قابل ملاحظه توزيع روي اكسيد مي¬شود كه منجر به پايداري بالا، ‏افزايش قابليت استفاده مجدد، تسهيل جداسازي از محلول‌هاي آبي و در نهايت افزايش راندمان احياء كروم ‏شش ظرفيتي در مقايسه با روي اكسيد خالص مي‌گردد.‏

در اين اختراع، براي اولين بار با استفاده از روش الكتروسانتريفوژريسي و بصورت تك مرحله اي دسته نانوالياف‌ فتوكاتاليستي روي اكسيد آلايش يافته با نانوذرات معدني بنتونيت جهت استفاده در تصفيه پساب آلي طراحي و ساخته شد. سهولت و هزينه ساخت پايين، قابليت توليد انبوه، انعطاف پذيري در تركيب درصد، تكامل و خلوص بالاي كريستالي، ساختار يك بعدي و منسجم به‌صورت نانوالياف با يكنواختي و هم ترازيي بالا، توزيع بسيار مناسب و برهمكنش قوي عناصر سازنده در ساختار، خواص نوري مشابه روي اكسيد، طول عمر بالاي حاملان بار، عدم تمايل به انباشتگي در پساب و نيز بازيابي كامل، آسان و كم هزينه از پساب تصفيه شده از مشخصه هاي برجسته نانوالياف كامپوزيتي مورد ادعا مي باشند. اثر همافزايي ساختار يك‌بعدي نانوالياف كامپوزيتي و حضور نانوذرات بنتونيت به دلايلي چون افزايش جذب مولكولي، ميزان بازتركيب بسيار پايين حاملهاي بار، ساختار متخلخل، عدم انباشتگي در محلول و نيز قابليت جداسازي بالاي نانوالياف سبب فعاليت فتوكاتاليستي بالا و پايدار در طول چرخه هاي متوالي در فرآيند تصفيه پساب خواهد شد. اين قابليت هاي منحصر به فرد در كنار شرايط عملياتي سهل الوصول و اقتصادي، كاربري آسان و بدون محدوديت و نيز بازدهي مناسب (بيش از 70%) در فرآيند تصفيه پساب هاي آلي مختلف (كشاورزي، رنگي و دارويي)، ساخت و كاربرد اختراع حاضر در مقياس صنعتي را توجيه مي‌نمايند.