Monolitos celulares cerámico-carbono como soportes de catalizadores de desnitrificación y adsorbentes

Abstract

[EN] A procedure to prepare carbon-ceramic cellular monoliths has been developed in this work. Optimisation of preparation conditions has been carried out so that materials with a homogeneous carbon distribution and a high pore volume in the micropore range have been obtained. The composite monoliths have been analysed as catalyst supports and adsorbents in diluted gaseous streams. First of all, these carbon-ceramic monoliths have been used as catalysts support for manganese oxides and vanadium oxides in order to study their performance in the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides with ammonia at low temperature (T<200ºC). The catalyst preparation procedure was optimised via tailoring the superficial properties of the carbonaceous support. The effect of different variables on catalytic activity and selectivity of the previously developed catalyst has been analysed. The catalysts developed here show a high catalytic activity, higher than that of other catalysts reported in literature. Vanadium-based catalysts are more resistant to SO2 deactivation than manganese-based catalysts. The presence of water vapour in the gas stream produces a decrease in catalytic activity for both types of catalysts. The initial value of catalytic activity is recovered after removing water from the inlet stream. Vanadium-based catalysts have been kept in the exit duct of a power plant in order to analyse their long-term stability. An important deactivation is observed after ~200 days in the power plant, mainly provoked by arsenic poisoning. An exhaustive analysis of the species involved in the low temperature SCR (125ºC) has been performed over manganese-based catalysts. A reaction mechanism has been developed from this analysis based on ammonia reaction from an adsorbed state with nitrogen dioxide from the gas phase (Eley Rideal type mechanism). Strong though partial deactivation of the catalyst is associated to formation of stable surface nitrates. Carbon-ceramic monoliths have also been proposed in this work as adsorbents of n-butane in diluted streams. In these conditions, the adsorption capacity of the monoliths developed here is higher than that of granular active carbon packed beds. Moreover, monoliths are easier to handle with and produce a lower pressure drop in the system than packed beds of active carbon granules. A model to predict the behaviour of carbon-ceramic monoliths in dynamic adsorption processes has also been developed. This model permits to obtain an excellent fitting of the experimental data by considering the existence of a gas velocity profile in the adsorption chamber.

[ES] En este trabajo se ha desarrollado un procedimiento para la preparación de materiales celulares cerámico-carbono. Se han optimizado las condiciones de preparación de forma que se han obtenido materiales con una distribución homogénea de carbono y un desarrollo textural con un elevado volumen de poros en el rango de los microporos. Los monolitos compuestos preparados han sido analizados como soportes de catalizadores y adsorbentes en corrientes gaseosas diluidas. En primer lugar, los monolitos cerámicocarbono han sido utilizados como soporte de óxidos de manganeso y óxidos de vanadio con el objeto de analizar su comportamiento en el proceso de reducción catalítica selectiva (SCR) de óxidos de nitrógeno con amoniaco a baja temperatura (T<200ºC). Se han analizado los parámetros de preparación de los catalizadores, para lo cual se ha estudiado el efecto de diversos tratamientos que modifican las propiedades de la superficie carbonosa. Una vez optimizado el procedimiento de preparación de los catalizadores de óxidos de manganeso y óxidos de vanadio se analizó el efecto de distintas variables sobre la actividad catalítica y la selectividad de los catalizadores. Los catalizadores desarrollados en este trabajo muestran una elevada actividad catalítica, superior a la que presentan otros catalizadores propuestos en la literatura. Los catalizadores de óxidos de vanadio son más resistentes a la desactivación por SO2 que los catalizadores de óxidos de manganeso. La presencia de vapor de agua produce una disminución de la actividad catalítica de ambos catalizadores, aunque se recupera el valor inicial al retirar el agua de la corriente de entrada. Para analizar la estabilidad de los catalizadores en condiciones reales de utilización se han introducido catalizadores de óxidos de vanadio en el conducto de salida de gases de la Central Térmica de Aboño. Estos catalizadores sufren una importante desactivación producida principalmente por envenenamiento con arsénico. Se han analizado exhaustivamente las especies involucradas en la reacción SCR a baja temperatura (125ºC) sobre catalizadores de óxidos de manganeso. De este análisis ha sido posible obtener un mecanismo de reacción a baja temperatura basado en un mecanismo de tipo Eley-Rideal en el que el amoniaco reacciona desde el estado adsorbido con dióxido de nitrógeno desde la fase gas. También se ha encontrado que el catalizador sufre una fuerte desactivación, aunque no total, como consecuencia de la formación de nitratos superficiales estables. Finalmente se propone en este trabajo la aplicación de los materiales cerámico-carbono como adsorbentes de n-butano en bajas concentraciones. Se ha comprobado que en estas condiciones la capacidad de adsorción es superior a la de los lechos de carbón activo, además de presentar los monolitos ventajas asociadas a la baja caída de presión que producen en el sistema así como a su facilidad de manejo. Además, se ha desarrollado un modelo para predecir el comportamiento de los monolitos cerámico-carbono en procesos de adsorción dinámica, que permite un excelente ajuste de los datos experimentales obtenidos si se considera la existencia de un perfil de velocidad de gas en el interior de la cámara de adsorción.