Diseño de un sistema para el control de la contaminación por óxidos de nitrógeno basado en catalizadores de hierro y manganeso

Abstract

[ES] El control de la contaminación atmosférica es un campo de la investigación científica que se ha estado desarrollando exhaustivamente desde la primera mitad del siglo XX, a medida que han ido aumentando las emisiones de gases contaminantes y que se han aplican regulaciones más estrictas. Entre todos los contaminantes, los óxidos de nitrógeno son de especial interés, ya que intervienen en la formación del smog fotoquímico y la lluvia ácida. En este trabajo se estudia la preparación y caracterización de catalizadores bimetálicos de manganeso y hierro para su posterior uso en la reducción catalítica selectiva de óxidos de nitrógeno (SCR-NOX) haciendo uso de amoniaco como agente reductor. Los metales activos se han incorporado en diversos soportes, como son zeolitas, materiales mesoporosos, óxido de titanio y óxido de zinc. Los catalizadores han sido caracterizados con distintas técnicas como son: la espectroscopía de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICP-AES), la adsorción volumétrica de gases, la espectroscopía UV-vis por reflactancia difusa (DRS UV-Vis) y la difracción de rayos X (DRX). Tras los análisis físico-químicos, se ha procedido a realizar ensayos catalíticos donde se ha podido observar la actividad catalítica de cada catalizador. De estos ensayos, se ha comprobado que los catalizadores soportados en óxidos metálicos comerciales y el catalizador soportado en la zeolita CHA presentan la menor actividad catalítica. También han mostrado que, en los soportados en zeolitas, la relación Si/Al y el contraión de su estructura determinan su actividad catalítica, la cual aumenta a mayores relaciones Si/Al y al utilizar contraiones de Na+ en vez de H+ . Además, se ha comprobado que el catalizador bimetálico soportado en óxido de titanio de alta superficie presenta la mayor conversión de NOX de todos los estudiados, siendo también estable en condiciones de humedad en los gases de reacción.

[EN] Air pollution control is a field of scientific research that has been exhaustively developing since the first half of the 20th century, as emissions of pollutant gases rose, and regulations became stricter. Among all the pollutants, nitrogen oxides are of special interest since they play a role in the formation of photochemical smog and acid rain. In this work, it has been studied the preparation and characterization of bimetallic catalysts of manganese and iron for its use in the selective catalytic reduction of nitrogen oxides using ammonia as the reducing agent. The active metals have been supported in different frameworks such as zeolites, mesoporous materials, titanium oxide and zirconium oxide. The catalysts have been characterized through different techniques such as, atomic emission spectroscopy with inductively coupled plasma (ICP-AES), volumetric adsorption of gasses, UV-vis diffusive reflectance spectroscopy (UV-vis DRS) and Xray diffraction (XRD). After the physical-chemical analysis, catalytic tests have been developed where the performance of each catalyst has been studied. From these tests it has been proved that catalysts supported on commercial metallic oxides and on zeolite CHA possess the lowest catalytic activity. Moreover, these tests have shown that, for the catalysts supported on zeolites, the Si/Al ratio and the counterion in its structure determine their catalytic activity, which increases as the Si/Al ratio is raised and the Na+ counterion is used instead of H+ . Furthermore, it has also been proved that the bimetallic catalyst supported on high surface titanium oxide possessed the greatest NOX conversion of all the studied catalysts, being also stable even when operating with a humid gas mixture.

[CA] El control de la contaminació atmosfèrica és un camp de la investigació científica que s'ha estat desenvolupant exhaustivament des de la primera meitat del segle XX, a mesura que han anat augmentant les emissions de gasos contaminants i que s'han aplicat regulacions més estrictes. Entre tots els contaminants, els òxids de nitrogen són d'especial interés ja que intervenen en la formació del smog fotoquímic i la pluja àcida. En aquest treball s'estudia la preparació i caracterització de catalitzadors bimetàl·lics de manganés i ferro per al seu posterior ús en la reducció catalítica selectiva d'òxids de nitrogen (SCR-NOX) fent ús d'amoníac com a agent reductor. Els metalls actius s'han incorporat en diversos suports, com són zeolites, materials mesoporosos, òxid de titani i òxid de zinc. Els catalitzadors han sigut caracteritzats amb diferents tècniques com són: la espectroscopía d'emissió atòmica amb plasma acoblat inductivament (ICP-AES), l'adsorció volumètrica de gasos, la espectroscopía UV-vis per reflactancia difusa (DRS UV-Vis) i la difracció de raigs X (DRX). Després dels anàlisi físico-químics, s'ha procedit a realitzar assajos catalítics on s'ha pogut observar l'activitat catalítica de cada catalitzador. D'aquests assajos, s'ha comprovat que els catalitzadors suportats en òxids metàl·lics comercials i el catalitzador suportat en la zeolita CHA presenten la menor activitat catalítica. També han mostrat que, en els suportats en zeolites, la influència de la relació Si/Al i el contraión de la seua estructura determina la seua activitat catalítica, la qual augmenta a majors relacions Si/Al i en utilitzar contraiones de Na+ en comptes de H+ . A més, s'ha comprovat que el catalitzador bimetàl·lic suportat en òxid de titani d'alta superfície presenta la major conversió de NOX de tots els catalitzadors estudiats, sent també estable en condicions d'humitat en els gasos de reacció.