Średnia wilgotność monolitu z katalizatorów: Definicja i kontekst
- Szczegóły
W związku z dynamicznie rosnącą emisją naturalnych gazów cieplarnianych do atmosfery, skutkującą drastycznymi zmianami w środowisku naturalnym, poszukuje się nowych rozwiązań sprzyjających ograniczeniu uwalniania niepożądanych substancji ze źródeł antropogenicznych. Motywację realizowanych badań stanowiła konieczność ograniczenia emisji do atmosfery jednego z najgroźniejszych gazów cieplarnianych - tlenku azotu(I) (z uwagi na długi czas życia w atmosferze, wynoszący ponad 120 lat).
W projekcie doktorskim skoncentrowano się na takich źródłach emisji N2O, jak: instalacje produkcyjne kwasu azotowego, gdzie N2O powstaje jako produkt uboczny reakcji utleniania amoniaku oraz wentylacyjne instalacje szpitali, w których tlenek ten stosowany jest w roli anestetyka i środka przeciwbólowego. Głównym celem projektu doktorskiego było opracowanie strukturalnych katalizatorów do rozkładu N2O, wykazujących wysoką aktywność i stabilność w rzeczywistych warunkach pracy wyżej wymienionych instalacji.
W pracy sprawdzono hipotezę badawczą, która zakłada optymalizację poszczególnych składników (nanokrystaliczna faza aktywna Co3O4, promotory fazy aktywnej, mikrometryczna faza pośrednia, makroskopowa matryca strukturalna) oraz zrozumienie ich funkcji i wzajemnych powiązań, prowadzących do opracowania innowacyjnych katalizatorów strukturalnych. Zgodnie z przyjętą strategią, w pierwszej kolejności dokonano jakościowej i ilościowej selekcji materiałów poszczególnych komponentów katalizatorów, a następnie dopasowano ich morfologię i strukturę poprzez dobór metody i warunków preparatyki.
W projekcie zastosowano szeroki wachlarz metod eksperymentalnych, niezbędnych do analizy składu pierwiastkowego (XRF) i fazowego (XRD, μRS), charakterystyki powierzchni, m.in. w zakresie składu (XPS) oraz powierzchni właściwej (N2-BET), właściwości elektronowych (WF), czy reaktywności (N2O-TPSR, H2-TPR) katalizatorów. Otrzymane układy analizowano także pod kątem morfologii nanoziaren fazy aktywnej (TEM) i mikrostruktury fazy pośredniej i nośnika (SEM, μ-TOMO). Istotne dla zbadania lokalnych efektów promocyjnych spinelu na drodze domieszkowania ołowiem i bizmutem były metody spektroskopowe sprzężone z wysokorozdzielczą skaningową mikroskopią elektronową (STEM/EDX/EELS).
W wyniku przeprowadzonych badań dokonano klasyfikacji domieszek spinelu kobaltowego pod względem ich preferowanej lokalizacji: potas, ołów i bizmut zakwalifikowano do grupy promotorów powierzchniowych, cynk i nikiel jako promotory strukturalne, natomiast cer, w postaci CeO2, jako domieszkę działającą na granicy faz CeO2 | Co3O4. Ponadto, w dalszych badaniach pracy, poświęconych dwóm nowym promotorom -Pb iBi -wyróżniono dodatkową klasę domieszek spinelu, charakteryzującą się dyspersją powierzchniową na poziomie atomowym. Zbadane efekty promocyjne, niezależnie od klasy domieszek, związane są ze znaczącą zmianą morfologii krystalitów Co3O4 oraz modyfikacją właściwości elektronowych powierzchni katalizatora (Publikacja II).
Przeczytaj także: Penis - statystyki
Dla docelowych układów katalitycznych wybrano dwa zestawy promotorów spinelu kobaltowego: potas i cynk, jako domieszki spinelu dla katalizatora dedykowanego instalacji produkcyjnej HNO3 oraz ołów jako pojedynczy promotor Co3O4 w katalizatorze przeznaczonym do wentylacji szpitalnej. Spośród przebadanych tlenków na materiał fazy pośredniej wybrano α-Al2O3, który jest inertny względem spinelu i łatwy w formowaniu. Jako stabilną mechanicznie i termicznie matrycę katalizatora wybrano kordierytowy monolit o strukturze plastra miodu, który składa się z systemu prostopadłościennych kanałów o podstawie kwadratu i szerokości 1 mm.
Warstwę fazy pośredniej na strukturalny nośnik nanoszono metodą kontrolowanego powlekania zanurzeniowego. Dla uzyskania równomiernej i stabilnej warstwy (20 -100 μm) kluczowe było zoptymalizowanie parametrów wyjściowej zawiesiny cząstek tlenku α-Al2O3 oraz obróbki termicznej powleczonego nośnika (obrotowe suszenie, kalcynacja z wolnym narostem i spadkiem temperatury 2°C/min). Nanokrystaliczną fazę aktywną rozproszono na powierzchni układu faza pośrednia | nośnik (α-Al2O3 | kordieryt) metodą impregnacyjną z dodatkiem gliceryny (30% obj.), gdyż spośród przebadanych metod (klasyczna impregnacja z roztworu wodnego, impregnacja z dodatkiem gliceryny, synteza spaleniowa, nanoszenie z zawiesiny cząstek), ta okazała się najbardziej efektywna. Jak opisano w Publikacji III, taka procedura pozwala bowiem na otrzymanie nanokrystalitów fazy spinelowej o morfologii korzystnej z punktu widzenia reakcji katalitycznej - ziaren Co3O4 eksponujących w wysokim stopniu płaszczyznę (100) i równomiernie zdyspergowanych na podłożu. Wówczas zawartość fazy aktywnej na poziomie 4% wag. jest wystarczająca, aby uzyskać poziom aktywności odpowiadający litemu katalizatorowi Co3O4 (Publikacja IV).
Na podstawie ewaluacji układów stwierdzono, że katalizatory te są aktywne w warunkach procesowych, stabilne termicznie i mechanicznie (Publikacja IV, V), a współczynnik ich wykorzystania sięga 100% (Publikacja VI). Stwierdzono, że opracowane układy katalityczne mają wysoki potencjał aplikacyjny i są konkurencyjne względem istniejących już rozwiązań w katalitycznym, niskotemperaturowym rozkładzie N2O.
Przykłady układów katalitycznych:
- 5,9% Pb-Co3O4 | α-Al2O3 | kordieryt jako układ dedykowany instalacji wentylacyjnej szpitali.
Przeczytaj także: Jaka woda do parzenia kawy?
Przeczytaj także: Wpływ wilgotności na samopoczucie
tags: #srednia #wilgotnosc #monolitu #z #katalizatorow #definicja
