Estabilidad de catalizadores para eliminar contaminantes de gases de escape de motores diesel

PERALTA, M.A.; ULLA, M.A; QUERINI, C.A.

Mar del Plata

Congreso; VI Congreso Argentino De Ingeniería Química; 2010

AAIQ

Las partículas de hollín y los óxidos de nitrógeno son los principales contaminantes emitidos por los motores diesel. Para eliminarlos, una alternativa consiste en el uso de filtros catalíticos. Estos filtros combinan los efectos de atrapar y quemar las partículas de hollín, y de entrampar a los NOx mediante materiales que adsorben estos óxidos durante ciclos de operación normal, y los liberan durante ciclos de reducción, mediante inyecciones periódicas de combustible. En este trabajo se estudian catalizadores de K/La2O3 para ser empleados como catalizadores de oxidación y como trampas de NOx. El potasio es un elemento activo en reacciones de oxidación de materiales carbonosos. Los catalizadores La2O3 y K/La2O3 son capaces de adsorber NOx. Los catalizadores a ser usados en el filtro, además de ser activos, deben cumplir con otras características. La selectividad a CO2 en la reacción de combustión de hollín es un requisito importante, ya que el CO es un veneno que debería evitarse. El disparo de la reacción de combustión puede ocurrir, ya que es posible que se acumule una gran cantidad de hollín sin quemar sobre el filtro durante el arranque en frío del motor. Al aumentar la temperatura del filtro catalítico, por el propio funcionamiento del motor, esa cantidad de hollín acumulada se quema, pudiendo provocar el disparo de la reacción de combustión, con importantes aumentos de la temperatura del filtro y disminución de la vida útil del mismo. En nuestro grupo se encontró que el La2O3 tiene propiedades para evitar el disparo de la reacción de combustión debido a la deshidroxilación endotérmica que ocurre en este material, en el mismo rango de temperatura en que el hollín se quema. Esto conduce a una menor generación neta de calor en el filtro catalítico. Finalmente, el catalizador debe ser estable en el ambiente del escape de un motor diesel. En este trabajo se estudian la actividad para la combustión de hollín, selectividad y estabilidad de catalizadores de K/La2O3. El estudio incluye el análisis de estabilidad térmica, hidrotérmica, y estabilidad en presencia de H2O, CO2, NOx y SO2. También se analiza la regeneración catalítica luego del envenenamiento con SO2. La actividad catalítica se determinó mediante Oxidación a Temperatura Programada (TPO) de una mezcla de catalizador y hollín, usando O2/N2. Para analizar la estabilidad del catalizador, el mismo fue tratado alternativamente en corrientes de aire con CO2, NOx, H2O, SO2, y combinación de ellos y luego se determinó la actividad mediante TPO. En algunos casos se agregaron algunos de estos gases en el ambiente de reacción. Los catalizadores KNO3/La2O3 son estables durante su almacenamiento en condiciones ambientes, mientras que los catalizadores KOH/La2O3 interaccionan fuertemente con CO2. Se encontró que a mayor concentración de grupos hidroxilo en la superficie, mayor es la interacción del catalizador con CO2. Se propuso que el CO2 puede formar carbonatos estables con especies activas de oxígeno formadas en las vacancias del catalizador, disminuyendo así la actividad catalítica. El tratamiento con NOx del catalizador KOH/La2O3 conduce a la formación de nitratos superficiales. Estos cambios de fase en el catalizador conducen a una menor interacción del catalizador con CO2 y a un mejor comportamiento catalítico. Luego del tratamiento a 800ºC, el catalizador KOH/La2O3 presentó una leve desactivación, aún con pérdidas de potasio relativamente grandes. El pretratamiento del catalizador KOH/La2O3 en aire húmedo a 400ºC no provoca ningún cambio en la actividad catalítica. En una corriente gaseosa con concentraciones similares a las reales en un escape de motor diesel, dependiendo de las presiones parciales de CO2, H2O, NOx y O2, la composición superficial será diferente, y a pesar de esto, la actividad catalítica sigue siendo la misma. Este es un resultado muy importante, porque con estos experimentos, se demuestra que esta compleja atmósfera favorece la formación de compuestos superficiales con buena actividad para la combustión del hollín. El catalizador KOH/La2O3 se desactiva luego de ser expuesto a una corriente de 1000 ppm de SO2 a 400ºC. Durante este tratamiento se formaron K2SO4 y La2(SO4)3. El posterior tratamiento con una corriente de NO+O2 en el rango de temperatura correspondiente a la combustión de hollín, conduce a que la actividad catalítica se recupera; el K2SO4 se descompone, a expensas de mayor formación de La2(SO4)3. Por otro lado, el tratamiento con H2 a 600ºC contribuye a la descomposición del La2(SO4)3. La combinación de ambos tratamientos en serie no provoca una mejora en la actividad catalítica. Sin embargo, el tratamiento con H2 es necesario para mantener en funcionamiento al sistema catalítico. De lo contrario, eventualmente el lantano se envenenaría completamente con SO2. Luego, el K2SO4 no sería capaz de descomponerse a expensas de formación de La2(SO4)3 ya que el lantano estaría saturado en SO2, y consecuentemente la actividad catalítica se perdería completa e irreversiblemente.