Estudio de la influencia del vapor de agua y óxidos de nitrógeno en la combustión catalítica de hollín

MARTÍN S. GROSS; NADIA C. ISAURRALDE; CARLOS A. QUERINI

Mar del Plata

Congreso; VI Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2010

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

El material particulado, compuesto principalmente por partículas de hollín, y los óxidos de nitrógeno son los principales contaminantes emitidos por los motores diesel de combustión interna. Estas emisiones tienen un impacto fuertemente negativo sobre el ambiente y la salud humana. Hasta el momento la solución más adecuada para alcanzar los límites máximos permitidos es el tratamiento de los gases de escape. La eliminación catalítica del hollín es un proceso complejo. Se encuentran involucradas dos fases sólidas, el hollín y el catalizador, y la fase gaseosa. Las tres fases deben estar en contacto para que se produzca la reacción. Debido a estas complejidades no existen muchos trabajos que estudien el mecanismo de reacción con detalle. En este trabajo se estudia la influencia del vapor de agua y el monóxido de nitrógeno en la combustión catalítica de hollín. Para ello se realizaron experiencias de reacción a temperatura programada en distintas atmósferas: 5% O2; 10% H2O, 5% O2; 0.1% NO, 5% O2; 10% H2O, 0.1% NO, 5% O2, para todos los casos balance en N2. Los catalizadores analizados fueron CeO2 y K/CeO2 calcinados a 450ºC. El CeO2 fue seleccionado debido a que se sabe que el hollín se quema por el oxígeno que aporta este óxido metálico y no por el oxígeno molecular presente en la fase gaseosa. En el caso del K/CeO2, el potasio favorece el contacto entre el hollín y el catalizador mediante la formación de especies superficiales con elevada movilidad, interviene en el mecanismo de reacción formando especies carbonatos y además favorece la formación de las especies oxigenadas que participan en la combustión del hollín. Se emplearon dos programas de calentamiento. En las experiencias de combustiones completas la mezcla catalizador:hollín fue sometida a calentamiento desde temperatura ambiente hasta 650-700ºC a velocidad constante de 12ºC/min. En las combustiones parciales el calentamiento a 12ºC/min se hizo hasta una temperatura intermedia y luego se mantuvo esta temperatura constante hasta que se agotó el material carbonoso. Este último tipo de experiencias ha permitido visualizar fenómenos transientes que no pueden ser observados con las combustiones completas. Mediante técnicas de caracterización como espectroscopia infrarroja, espectroscopia fotoelectrónica de rayos X, difracción de rayos X, microscopía de barrido electrónico y pulsos de alta frecuencia de CO2, se ha complementado la información obtenida en las experiencias de combustión, lo que permitió proponer mecanismos de reacción heterogéneos para la combustión catalítica de hollín. Mediante regresión no lineal fue posible encontrar los valores de los parámetros cinéticos de cada una de las etapas involucradas en el mecanismo de reacción propuesto. Con los modelos cinéticos encontrados se modelaron satisfactoriamente procesos de combustión en condiciones diferentes de aquellas a las cuales se han obtenido los valores de los parámetros cinéticos, demostrando que los modelos cinéticos tienen muy buena capacidad predictiva.