Utilización de herramientas de simulación molecular en el diseño de un sólido Fe-H-ZSM-5 y su aplicación en el control de emisiones en el arranque en frío

Abstract

Las emisiones durante el encendido en frío suponen una fracción significativa del total de emisiones producidas en vehículos. Esto es debido a que el catalizador de tres vías empleado en los coches necesita entre 60 y 120s para llegar a una temperatura de alrededor de 250 ºC, periodo durante el cual se liberan entre el 50-80 % del total de hidrocarburos (HC). Entre las técnicas que se evalúan para el control de emisiones durante el arranque en frío, las trampas de HC son las que tienen mayor relevancia desde un punto de vista científico-técnico. En este trabajo, se han llevado a cabo simulaciones Gran Canonical Monte Carlo con el objetivo de analizar la influencia de las propiedades del sólido, naturaleza química y densidad y distribución de Fe3+ y H+, en el proceso de adsorción de mezclas propeno-tolueno-dióxido de carbono-agua en una zeolita Fe-H-ZSM-5 en las condiciones iniciales del arranque en frío. Las simulaciones fueron realizadas utilizando el módulo Sorption del programa Materials Studio 5.0 con el campo de fuerzas PCFF implementado con cargas. Las cargas utilizadas para los diferentes átomos de la estructura han sido +2.05 e- para Si,+ 1.75 e- para Al, +3 e- para Fe, + 1 e- para H, y -1.025 e- para los O que están alrededor de los Si y -1.2 e- para los O alrededor de los Al. Así mismo, se han llevado a cabo experimentos en condiciones que simulan las del arranque en frío de un vehículo (100 ppmv de propeno, 77 ppmv de tolueno, 1% de oxígeno, 10% de dióxido de carbono, 10% de agua y balance de argon, rampa de temperatura de 50°C/min hasta 600°C) con distintos sólidos ZSM-5 intercambiados con cationes Fe3+ para conocer su comportamiento. La Figura 1 muestra los resultados de la evolución de la concentración de propeno en los ciclos de arranque en frío llevados a cabo con 4 zeolitas. Se puede observar en todos los casos una primera etapa de adsorción de propeno, seguida de la desorción debida al aumento de la temperatura y su posterior combustión catalítica. Los resultados obtenidos demuestran la posibilidad de utilizar la simulación molecular como una herramienta para profundizar en el conocimiento de la influencia de la distribución de los cationes extra en el equilibrio de adsorción de mezclas propeno-tolueno-dióxido de carbono-agua. Además, mediante comparación entre los resultados experimentales y los obtenidos mediante simulación molecular, se ha visto que el sólido que presenta una capacidad de adsorción mayor mediante técnicas de simulación molecular es aquel que presenta un mejor comportamiento experimentalmente. De esta manera, se concluye que mediante los resultados de simulación molecular podemos obtener información cualitativa de la capacidad de adsorción que nos permita dirigir la síntesis del material más adecuado para nuestra aplicación.