Ανάπτυξη καταλυτών για την οξείδωση αιθάλης με την μέθοδο Σύνθεσης Καύσης Διαλύματος (SCS)

Abstract

Ο αριθμός των πετρελαιοκίνητων οχημάτων αυξάνεται συνεχώς λόγω των καλών επιδόσεων του σύγχρονου κινητήρα ντίζελ και της χαμηλής κατανάλωση καυσίμου κίνησης. Ωστόσο οι εκπομπές των μηχανών εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) ντίζελ - ιδίως η αιθάλη - αποτελούν έναν σημαντικό περιβαλλοντολογικό κίνδυνο και για αυτό τον λόγο έχουν προταθεί διάφορες λύσεις για την μείωση ή την αδρανοποίησή τους. Η πλέον υποσχόμενη λύση είναι η παγίδευση της αιθάλης (παγίδες αιθάλης - DPF) και η ακόλουθη αφαίρεσή της με καταλυτική οξείδωση. Στο πρώτο στάδιο, τα ανθρακούχα σωματίδια διαχωρίζονται από την αέρια φάση με μηχανική διήθηση χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο σωματιδίων εξαγωγής κινητήρων ντίζελ. Ακολουθεί η καύση τους στο εσωτερικό αυτού του φίλτρου. Ωστόσο, η καύση της αιθάλης πετρελαίου είναι γνωστό ότι είναι δύσκολο να επιτευχθεί ικανοποιητικά, επειδή αναφλέγεται περίπου στους 550-600οC σε περιβάλλον με οξυγόνο, ενώ τα αέρια της εξάτμισης κινητήρων ντίζελ βρίσκονται ανάμεσα στους 200 έως 400 οC. Ως εκ τούτου η καταλυτική οξείδωση της αιθάλης είναι απαραίτητη. Στην παρούσα εργασία μια σειρά καταλυτών παράχθηκε με την μέθοδο Σύνθεσης Καύσης Διαλύματος (Solution Combustion Synthesis- SCS) από μαγγάνιο, δημήτριο και νιτρικά χαλκού, διχρωμικό κάλιο , οξείδιο του χρώμιο (VI) και ουρία ή γλυσίνη ως καύσιμο, σε θερμοκρασίες προθέρμανσης 500oC. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη που εξετάστηκαν αφορούν στην μορφολογία μικροδομής (SEM, EDAX), στην ατομική δομή (XRD) και στην κρυσταλλικότητα. Η καταλυτική οξείδωση της αιθάλης ΜΕΚ ντίζελ και της αιθάλης από καυστήρες λεβήτων θέρμανσης σε περιβάλλον με οξυγόνο μελετήθηκε μέσα σε έναν αντιδραστήρα με τη χρήση ενός μίγματος από 0,1 gr αιθάλης + και 0,3 gr κονιοποιημένου καταλύτη (< 20μm). Προκειμένου να υπάρχει το απαραίτητο για την οξείδωση οξυγόνο, η παροχή αέρα ρυθμίστηκε περίπου στο 600 ml/min και ο ρυθμός θέρμανσης περίπου στους 10oC/min. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμοκρασία στην οποία αρχίζει η καύση εξαρτάται από τη σύσταση του καταλύτη. Οι καταλύτες που είναι βασισμένοι σε Cu(NO3)2-K2Cr2O7 (ή CrO3) σε ουρία έδωσαν πολύ ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Αξιοσημείωτο είναι ότι στο σύστημα που περιέχει 10% CrO3 έγινε καταλυτική οξείδωση της αιθάλης από καυστήρα θέρμανσης σε θερμοκρασία μόνο 405oC, η οποία είναι 210oC χαμηλότερη από την θερμοκρασία καύσης της ίδιας αιθάλης χωρίς καταλύτες (615oC). Επίσης, στο παραπάνω σύστημα έγινε καταλυτική οξείδωση της αιθάλης ΜΕΚ ντίζελ σε θερμοκρασία μόνο 385°C, η οποία είναι 215°C χαμηλότερη από την θερμοκρασία καύσης της ίδιας αιθάλης χωρίς καταλύτες (600°C). Τα αποτελέσματα αυτά είναι πολύ σημαντικά για την εξέλιξη των καταλυτικών υλικών που χρησιμοποιούνται στους κινητήρες ντίζελ και επιδέχονται περαιτέρω πειραματική έρευνα.

The number of diesel-engine equipped vehicles is continuously increasing due to both the good performance of modern diesel engines and their low fuel consumption. However, diesel engine emissions -in particular soot- are a known danger and various solutions have been proposed to reduce soot emissions. The most promising is soot capture and subsequent removal by catalytic oxidation. In the first stage, the carbonaceous particles are separated from the gas phase by mechanical filtration using a diesel particulate filter, followed by their combustion inside the filter. However, diesel soot combustion is known to be difficult to achieve satisfactorily, since this material burns at about 550–600 οC in oxygen, while diesel exhaust gases are generally at 200 to 400 οC. Therefore, catalytic soot oxidation is necessary. In the present work, a range of catalysts was synthesized by Solution Combustion (SCS) from manganese, cerium and copper nitrates, potassium dichromate, chromium (VI) oxide and urea or glycine as fuel at pre-heating temperatures 500oC. The resulting materials were characterized by determination of their microstructural morphology (SEM, EDAX), atomic structure (XRD and crystallinity. Catalytic oxidation of soot from both oil fuel heating burners and diesel internal combustion engines (ICE) was studied in air environment in a reactor using a mixture of 0.1 gr soot + and 0.3 gr powdered catalyst (<20μm). In order to provide sufficient oxygen needed for the oxidation of the soot, air flow was adjusted to approximately 600 ml/min and the heating rate was adjusted to approximately 10oC/min. The results show that the temperature at which combustion initiates depends on the composition of the catalyst. Catalysts based on Cu(NO3)2 - K2Cr2O7 (or CrO3) in urea gave very promising results. Promisingly, the system containing 10% CrO3 showed that catalytic oxidation of heating soot started at a temperature of only 405oC which is as much as 210oC lower than the combustion temperature of the same soot without any catalysts (615oC). Also, the same system showed that catalytic oxidation of diesel soot started at a temperature of only 385oC which is as much as 215oC lower than the combustion temperature of the same soot without any catalysts (600oC). These results are very important for the development of catalytic materials used in diesel engines and are the subject of further experimental research.