Καταλυτική οξείδωση πτητικών οργανικών ενώσεων σε οξείδια μετάλλων μετάπτωσης
Καταλυτική οξείδωση πτητικών οργανικών ενώσεων σε οξείδια μετάλλων μετάπτωσης
Date
2023-10-26
Authors
Αποστολόπουλος, Νικόλαος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs) είναι οργανικές ενώσεις με μεγάλη συνεισφορά στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Εκπέμπονται από μία μεγάλη ποικιλία φυσικών αλλά και ανθρωπογενών πηγών. Η πλέον αποδοτική μέθοδος καταστροφής των VOCs είναι η καταλυτική οξείδωση, καθώς η επεξεργασία των αέριων ρύπων λαμβάνει χώρα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από την θερμική καύση. Χαρακτηριστικοί καταλύτες που χρησιμοποιούνται είναι οι καταλύτες ευγενών μετάλλων όπως είναι Pt, Pd, στηριγμένοι σε κάποιο υπόστρωμα, οι οποίοι εμφανίζουν υψηλή ενεργότητα. Ωστόσο το υψηλό κόστος τους, κάνει τους καταλύτες οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική πρόταση από την στιγμή που συνδυάζουν το χαμηλότερο κόστος με αξιοσημείωτη καταλυτική ενεργότητα.
Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η πλήρης οξείδωση του τολουολίου σε CO2 και H2O σε καταλύτες Mn2O3 και CuO. Οι καταλύτες του μαγγανίου παρασκευάστηκαν μέσω της συμπλοκοποίησης Mn(II) με κιτρικό οξύ και πύρωση στον αέρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες, ενώ του χαλκού μέσω υδροθερμικής κατεργασίας, καταβύθισης αλλά και της συμπλοκοποίησης Cu(II) με κιτρικό οξύ. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με τις εξής τεχνικές: i) φυσική ρόφηση Ν2, ii) περίθλαση ακτίνων-Χ και iii) θερμοπρογραμματιζόμενη αναγωγή με H2. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύνθεση καταλυτών Mn2O3 και CuO διαφορετικών ειδικών επιφανειών και μεγέθους κρυσταλλιτών, ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους και η μελέτη της πλήρους οξείδωσης του τολουολίου. Επίσης θα εξεταστεί η δομική ευαισθησία της αντίδρασης στους καταλύτες Mn2O3 και CuO κατά την οξείδωση του ρύπου.
Ο προσδιορισμός της ειδικής επιφάνειας των καταλυτών έγινε με την μέθοδο BET. Η μεγαλύτερη τιμή ειδικής επιφάνειας παρατηρήθηκε για το δείγμα του CuO που παρασκευάστηκε μέσω υδροθερμικής κατεργασίας στα 40 m2g-1, ενώ η χαμηλότερη για το εμπορικό δείγμα του καταλύτη Mn2O3 στα 3,5 m2g-1. Οι μετρήσεις περίθλασης ακτίνων-Χ έδειξαν την ύπαρξη κρυσταλλικών φάσεων Mn2O3 και CuO με μέγεθος κρυσταλλιτών από 34-80 nm για τους καταλύτες Mn2O3 και από 12-83 nm για τους αντίστοιχους του CuO. Για την αναγωγή των καταλυτών διαβιβάζεται αναγωγικό μίγμα
viii
2,9% Η2/He, με ροή 30cm3min-1 και η συγκέντρωση του Η2 που καταναλώνεται παρακολουθείται με φασματογράφο μάζας.
Τα πειράματα καταλυτικής ενεργότητας έλαβαν χώρα σε αντιδραστήρα χαλαζία σταθερής κλίνης σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασιακό εύρος από 170-300οC. Η ανάλυση των αντιδρώντων και προϊόντων της αντίδρασης πραγματοποιήθηκε με αέριο χρωματογράφο εφοδιασμένο με ανιχνευτή ιονισμού φλόγας και ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας για την ανάλυση του τολουολίου και του διοξειδίου του άνθρακα, αντίστοιχα. Η συνολική παροχή τροφοδοσίας των αντιδρώντων σε όλες τις μετρήσεις ήταν 100 cm3 min-1 (12,5% O2, 390ppm C7H8 για τους καταλύτες CuO και 300ppm C7H8 για τους καταλύτες Mn2Ο3 αντίστοιχα και He) το οποίο αντιστοιχεί σε W/F=0,06 g s cm-3. Οι βέλτιστοι καταλύτες τόσο Mn2O3 όσο και CuO ενεργοποιήθηκαν σε ένα θερμοκρασιακό εύρος: 180-210οC και μετέτρεψαν πλήρως τον ρύπο σε θερμοκρασίες από 255-275οC. O καταλύτης Mn2O3 με την μικρότερη SBET έχει την μεγαλύτερη φαινόμενη ενέργεια ενεργοποίησης και τον μικρότερο ειδικό ρυθμό αντίδρασης. Οι καταλύτες του CuO παρουσιάζουν παρόμοιες τιμές ειδικού ρυθμού αντίδρασης ανεξάρτητα από την τιμή ειδικής επιφάνειας τους. Από τις μετρήσεις Η2-TPR είναι εμφανές ότι μείωση του μεγέθους κρυσταλλιτών μετατοπίζει την θερμοκρασίας αναγωγής σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, βελτιώνοντας την καταλυτική ενεργότητα.
Description
Keywords
Καταλύτες, Οξείδωση, Καταλυτική ενεργότητα, Ειδική επιφάνεια