Diseño de catalizadores para el control de la exotermia durante el quemado del hollín de diese

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

Buenos aires (Argentina)

Congreso; XXII Congreso Internacional de Ingeniería Química.; 2006

Los motores de combustión interna constituyen una de las principales causas de contaminación ambiental. En 1997, muchos países industrializados adoptaron el protocolo de Kyoto apuntando a la reducción de la producción de gases de efecto invernadero. El dióxido de carbono es producido en gran cantidad por los motores de combustión interna. Por este motivo, los fabricantes de automóviles trabajan con el objetivo de reducir el consumo de combustible de los vehículos para alcanzar una producción de CO2 de 140 g/Km en el 2008. La economía de combustible de los motores diesel es mejor que la de los motores de nafteros. Debido a esto se espera que el número de vehículos impulsados con diesel crezca en el futuro. Los principales contaminantes emanados de los motores diesel son los óxidos de nitrógeno y el material particulado, constituído mayormente por hollín. Las emisiones de óxidos de nitrógeno o de particulado pueden ser reducidas a través de modificaciones en el motor. Las medidas tomadas para reducir las emisiones de particulado casi siempre resultan en un incremento de las emisiones de óxidos de nitrógeno y viceversa. Wade et al  estudiaron los procesos durante la combustión que conducen a la producción de partículas de hollín y óxidos de nitrógeno. Fueron capaces de predecir qué modificaciones del motor disminuirían las emisiones de estos compuestos. Sin embargo, para reducir  estas emisiones a niveles aceptables es necesario el uso de algún tratamiento de los gases de escape. Una de las alternativas para evitar que el hollín sea emitido al medio ambiente, es utilizar un filtro. El hollín depositado sobre el filtro debe ser continuamente quemado a fin de evitar aumentos en la pérdidas de carga, que conduzcan al mal funcionamiento del motor, y eventualmente el taponamiento del filtro. La temperatura necesaria para quemar el hollín no catalíticamente es demasiado alta (superior a 550°C) como para poder alcanzarse en condiciones normales de funcionamiento. Una de las formas de solucionar este problema consiste en depositar un catalizador sobre el filtro, de manera de que se queme el hollín en forma continua en las condiciones normales de funcionamiento del motor.   Uno de los problemas que se encuentra en estos sistemas, es el disparo de la reacción, alcanzando temperaturas cercanas a los 1500°C, lo que produce la rotura del filtro. En este trabajo, se estudian catalizadores diseñados para amortiguar este problema. Se estudia el catalizador K/La2O3 para ser utilizado en el escape de un motor diesel para la reacción de combustión de hollín. Se compara el catalizador mencionado con otro catalizador de similar actividad para dicha reacción, el K/CeO2, Ambos catalizadores tienen muy buena actividad para la combustión del hollín, como se mostró en trabajos anteriores. El catalizador K/La2O3 , en contacto con agua y CO2, ambos componentes presentes en el ambiente del escape de un motor diesel, forma compuestos tipo hidróxido y carbonato superficiales, y eventualmente volumétricos. Estos compuestos formados se descomponen en el rango de temperaturas en que ocurre la combustión del hollín. Los procesos de descomposición mencionados son de naturaleza endotérmica, mientras que el proceso de combustión del hollín es de naturaleza exotérmica. Si se comparan iguales experiencias de combustión de hollín, con los catalizadores  K/CeO2  y K/La2O3 , se puede ver que el calor liberado al utilizar K/CeO2 es mucho mayor al calor liberado al utilizar K/La2O3 como catalizador. De lo expuesto surge que la ventaja de utilizar el K/La2O3 radica en la simultaneidad de la combustión de hollín exotérmica con las transformaciones  de fase endotérmicas, que conducen a una menor liberación global de calor en el sistema hollín – catalizador – filtro, preservándose así las características y aumentándose la vida útil del sistema catalizador- filtro. En el laboratorio, el contacto entre el catalizador y el hollín se efectúa realizando una mezcla mecánica de hollín y catalizador. La actividad  para la combustión del hollín se mide mediante la técnica de oxidación a temperatura programada (TPO). Se utiliza una corriente de 40 cc/min de una mezcla de 5% de oxígeno en nitrógeno, y se aplica una rampa de calentamiento de 12 K/min. Para comparar actividades entre diferentes catalizadores se utiliza una mezcla de catalizador-hollín  en proporción 20:1. En estas condiciones se está en control cinético, es decir, no hay limitaciones difusivas. A los fines de analizar el disparo de la reacción, se utilizan también relaciones catalizador-hollín 10:1 y 5:1. Par analizar los calores desprendidos durante la combustión del hollín y / o descomposición de fases, se utiliza la técnica de calorimetría de barrido diferencial (DSC). La mezcla catalizador-hollín,  se somete a una rampa de calentamiento en condiciones similares a las utilizadas con la técnica de TPO, y se miden los calores evolucionados.