Katalityczna ochrona
powietrza
R. M. Heck, R. J. Farrrauto, S. T. Gulati, Catalytic Air Pollution Control,
Commercial Technology, Wiley-Interscience, New York, 2002
Katalityczna ochrona
powietrza
R. M. Heck, R. J. Farrrauto, S. T. Gulati, Catalytic Air Pollution Control,
Commercial Technology, Wiley-Interscience, New York, 2002
1976
– kataliza środowiskowa
Obecnie – samochody benzynowe i
Diesla
- lotne związki organiczne
- NO – elektrownie
- O
3
- samoloty
Kataliza środowiskowa
Katalizatory:
- Pt, Pd, Rh
- V
2
O
5
Nośniki:
- Al
2
O
3
,
SiO
2
,
TiO
2
- glinokrzemiany, zeolity
Nośnik
- zadanie:
maksymalna dyspersja katalizatora
- charakterystyka – powierzchnia właściwa
- rozkład porów
- właściwości kwasowe
- struktura
krystalograficzna
- właściwości – synteza
- czystość
- obróbka termiczna
Nośnik
- przemywanie - usuwanie np.
Na
- suszenie, 110
o
C –
H
2
O, NH
3
- wygrzewanie – struktura krystalograficzna
T
- obniżenie powierzchni
właściwej
- utrata centrów kwasowych
- zmiana struktury
krystalograficznej
T= 500
o
C Al
2
O
3
100-200m
2
/g
T=1150
o
C Al
2
O
3
1-5m
2
/g
Na
2
O
- T
spiekania
La
2
O
3
, CeO
2
, BaO, SiO
2
- T
spiekania
SiO
2
- odporny na zatruwanie siarką
- 300 - 400m
2
/g
- kwasowe grupy OH
TiO
2
- nie tworzy siarczanów
- anataz i rutyl – odmiany krystalograficzne
50-80m
2
/g <10m
2
/g
~500
o
C ~550
o
C – spiekanie, zamykanie wanadu
- rozkład organicznych związków tytanu
- monolity są w nim zanurzane i wygrzewane w 300-500
o
C
zeolity
-
syntetyczne glinokrzemiany tworzące tetraedry
- H
+
lub
Na
+
-
zobojętnienie ładunku
- tworzą centra kwasowe
- pory 3-8A - wielkość cząsteczki, sita molekularne
- np. mordenit Na
8
(AlO)
8
(SiO)
40
·4H
2
O + Me
- NO + NH
3
SCR
- pułapka na węglowodory w dieslowskich katalizatorach
utleniających
-synteza – aminowe matryce (templaty)
– struktura krystalograficzna, autoklawy, 150-180
o
C
Katalizator
impregnacja solą
- impregnacja pierwszego zwilżania (określenie ilości wody,
którą może wchłonąć nośnik, rozpuszczenie soli w tej ilości wody)
- sól zawiera jony przeciwnie naładowane niż nośnik,
(zasadowy Al
2
O
3
i SiO
2
, adsorbują się Pd
+2
,
Pd(NH
3
)
2
+2
- wymiana jonowa, głównie w zeolitach (najpierw NH
4
+,
potem
kation soli)
Stabilne naniesienia zdyspergowanego katalizatora
-
przepłukiwanie
- suszenie – 110
o
C, woda, lotne składniki
- wygrzewanie, odparowanie substancji użytych
do syntezy, S, NH
3
Rh
2
O
3
+ 3H
2
S
(g)
→ Rh
2
S
3
+ H
2
O
Rh
2
S
3
+ O
2
→ 2Rh + 3SO
2
HCOOH + Pd
2+
→Pd + 2H
+
+ CO
600
o
C
Monolity
- ceramiczne 0,3m
2
/g + Al
2
O
3
(washcoat) + Me
- metaliczne
kanały – trójkatne, heksagonalne, kwadratowe, okrągłe
Monolity
-mały spadek ciśnienia
- odporność na ścieranie
- dobre właściwości mechaniczne
- małe rozmiary
- elastyczność
Kordieryt 2MgO·2Al
2
O
3
·5SiO
2
- kaolin
+ talk + Al
2
O
3
+ Al
2
O
3
+ SiO
2
- mieszanie
-
formowanie
- wypalanie
- rozmiar 28 – 18 cm
- gęstość kanałów 9-1200/cal
2
100 – 300 cpsi
157 – 260 cm
2
/cm
3
średnica kanału
0,21-0,12 cm
grubość ścianki 0,04-0,03 cm
Kordieryt
- niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
- T. T. = 1300
o
C
- pory 3-4 m
- mała mobilność składników
Monolity metaliczne
„+”
– cieńsze ścianki 0,004- 0,005cm
– większa gęstość komórek
– mniejszy spadek ciśnienia
– otwarta przestrzeń 90%
– wyższe przewodnictwo cieplne (15-20x)
– można przyspawać
„-”
- nanoszenie składników
- korozja
- wyższy koszt
Monolity metaliczne zastosowanie
niskotemperaturowe
– Usuwanie - NO
x
w elektrowniach
- O
3
w samolotach
- CO i VOC
- opary kuchenne
Odzyskiwanie składników
– kruszenie
– rozpuszczanie w kwasie ceramiki
– topienie – ceramika na wierzchu
Dezaktywacja
– temperatura – samochody 1000
o
C
– zanieczyszczenia
– ścieranie, odpadanie
Dyspersja
– każdy atom dostępny (100% dyspersji)
– Temperatura - wzrost kryształów
- spiekanie nośnika
Al
2
O
3
- Al
2
O
3
150 → < 50 m
2
/g
TiO
2
anataz-rutyl 60 → < 10 m
2
/g
- reakcje z nośnikiem
Rh
2
O
3
+ Al
2
O
3
Rh
2
Al
2
O
4
C
o
800
Zapobieganie spiekaniu
– Dodatek CeO
2
i La
2
O
3
SiO
2
i Zr – roztwory stałe z
nośnikiem
Zatruwanie chemiczne
– Pb, Hg, Cd + Pt → stopy
– SO
2
– adsorpcja
SO
2
SO
3
→ Al
2
(SO
4
)
3
kat
Pt
Zatruwanie nieselektywne - maskowanie
– Pyły - SiO
2
, Al
2
O
3
– Oleje - P
– Zawęglanie
Diesel
Zanieczyszczenia:
– Ciekłe
– Stałe (C+ tlenki, siarczany)
– Gazowe (HC, CO, NO
x
, SO
2
)
Diesel
– lepsze wykorzystanie paliwa
powietrze : paliwo =
22
– mniej CO
2
– 10 razy dłużej działają niż silniki
benzynowe
– wysokie ciśnienie – niższe temperatury
- mniej NO
x
, CO, HC
- więcej PM
NO
x
Spalanie - elektrownie
N
2
+O
2
→
2NO
1500
o
C
SCR NO
x
4NO + 4NH
3
+ O
2
→ 4N
2
+ 6H
2
O (1957)
2NO
2
+ 4NH
3
+ O
2
→ 3N
2
+ 6H
2
O
2NH
3
+ 2O
2
→ N
2
O + 3H
2
O
4NH
3
+ 3O
2
→ 2N
2
+ 6H
2
O
4NH
3
+ 5O
2
→ 4NO + 6H
2
O
2NH
3
+ 2NO
2
+ H
2
O → NH
4
NO
3
+ NH
4
NO
2
Pt
>250
o
C nieselektywny
V
2
O
5
/Al
2
O
3
/
TiO
2
T=175-250
O
C
Pt
T =300-450
O
C
V
T =300-600
o
C
zeolity
V
2
O
5
/TiO
2
-T 260-450
o
C ~ 425
o
C utrata
selektywności
~ 450
o
C anataz rutyl
-niska zawartość V
2
O
5
(SO
2
→ SO
3
)
- dodatek WO
3
lub MoO
3
- MoO
3
zatruwanie arsenem
Zeolity
-Mordenit
~ 600
o
C dealuminacja
Instalacje SCR NO
Spalani
e
Spalani
e
Spalani
e
SCR
SCR
SCR
ogrzewani
e
ogrzewani
e
ogrzewani
e
odpylanie
odpylanie
odpylanie
odsiarczani
e
odsiarczani
e
odsiarczani
e
NH
3
NH
3
ogrzewani
e
NH
3
wysokopyłowa
niskopyłowa
końcowa
Wysokopyłowa instalacja SCR
- V
2
O
5
/TiO
2
/monolity metaliczne lub zeolity
- T=350-400
o
C
- GHSV = 3000-5000h
-1
- duże kanały
-1-30 g/m
3
– poziom zapylenia
- 80% konwersja NO
x
, 5 ppm NH
3
-
dezaktywacja, popioły z metalami alkalicznymi, S, As
- czas życia 5-9 lat
Niskopyłowa instalacja SCR
- V
2
O
5
/TiO
2
/monolity metaliczne lub zeolity
- T=300-450
o
C
- GHSV = 5000-10000h
-1
-100 mg/m
3
– poziom zapylenia
- dodatek Mo lub W
-
dezaktywacja - metale alkaliczne
- czas życia 5-9 lat
Końcowa instalacja SCR
-V
2
O
5
/TiO
2
lub zeolity
- monolity metaliczne lub ceramiczne
- T=300-350
o
C
- konwersja 95%
- < 10 ppm NH
3
- czas życia 5-9 lat