Κεφαλαιο 6. Κατάλυση καυσαερίων

Transcript

1 Κεφαλαιο 6 Κατάλυση καυσαερίων

2 Εισαγωγή Καταλύτες: χρησιμποποιούνται για να μετατρέψουν τα περιβαλλοντικά επικίνδυνα υλικά στις αβλαβείς ενώσεις. Απενεργοποίηση καταλύτη :αποτέλεσμα της θερμικής γήρανσης, των φυσικών και χημικών μηχανισμών δηλητηρίασης και επιφανειακού κορεσμού. Διαδικασίες αναγέννησης: θερμική φυσική, χημική επεξεργασία Εκλεκτική καταλυτική αναγωγή (SCR) του ΝΟx Αφαίρεση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) Οξείδωση του CO από τα αέρια των εξατμίσεων. Πηγές: βιομηχανικές διαδικασίες, παραγωγή ενέργειας, αποτέφρωση αποβλήτων, εκπομπές αυτοκινήτων, εκπομπές αεροπλάνων.

3 Εισαγωγή Τα στερεά καυσιμα όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το αέριο, και ολοι οι τυποι βιομαζών και βιομηχανικών αποβλήτων καίγονται ή εξαερώνονται για την παραγωγή ενέργειας. Η ιαπωνία ήταν η πρώτη που ξεκόινησε την προσπάθεια απομάκρυνσης του NΟx από το φυσικό αέριο, τον άνθρακα. Αεριοποίηση άνθρακα για ηλεκτρική ενέργεια. Παράγονται CO, H 2, CO 2, NH 3 H 2 S.

4 Αποσύνθεση ΝΟ λόγω της επιλεκτικότητας των καταλυτών που χρησιμοποιούνται να ανάγουν μόνο τα οξείδια αζώτου.

5

6 Οι καταλύτες τοποθετούνται στον καταλυτικό μετατροπέα, μετατρέπει τοξικούς ρύπους σε λιγότερους τοξικούς ρύπους με την κατάλυση οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων

7

8

9 αποτελεσματική σε θερμοκρασίες πάνω από οC και ο βαθμός μετατροπής μπορεί να φτάσει το 80-85%. πρέπει να παρέχεται αμμωνία εξωτερικά στη ροή του απαερίου, σε σωστή αναλογία. Οι καταλυτικοί μετατροπείς που χρησιμοποιούνται αποτελούνται από κεραμικό ή μεταλλικό υπόστρωμα, στην επιφάνεια του οποίου είναι διεσπαρμένοι κόκκοι του καταλύτη. Ως καταλύτης, συνήθως, χρησιμοποιείται βανάδιο ή ζεόλιθοι. Έχει εφαρμογή σε κινητήρες ντίζελ πλοίων και τραίνων. Από το 2008 και έπειτα στην ΕΕ, έχει ξεκινήσει η εφαρμογή συστημάτων SCR και για την αντιρρύπανση κινητήρων φορτηγών. Η βασική αρχή λειτουργίας είναι ίδια με τη βιομηχανική εφαρμογή της διεργασίας. Ωστόσο, η αμμωνία είναι τοξική και για λόγους ασφαλείας δεν μπορεί να μεταφέρεται στο όχημα.

10

11

12 Αποτελεσματικότητα της SCR Η αποτελεσµατικότητα της SCR επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι: ο τύπος και ο όγκος του καταλύτη, η θερµοκρασία της αντίδρασης, ο ογκοµετρικός λόγος ΝΗ 3 / NOx, η συγκέντρωση των NOx στο ρεύµα εισόδου, η ποσότητα της αµµωνίας, η συγκέντρωση των σωµατιδίων (particulates), του SO 2 και του Ο 2 στο ρεύµα εισόδου [Wojciechowska κ.ά., 1999].

13 Ο καταλύτης βοηθάει την αντίδραση να λάβει χώρα σε χαµηλότερες θερµοκρασίες. Υπάρχουν πολλοί τύποι καταλυτών που χρησιµοποιούνται στη SCR, αλλά αναπτύσσονται και πολλοί νέοι. Οι κύριες οµάδες των καταλυτών που µπορούν να διακριθούν είναι τρεις: Υποστηριζόµενοι καταλύτες ευγενούς µετάλλου, π.χ. Pt/Al 2 O 3 Καταλύτες βασισµένοι σε οξείδιο µετάλλου, π.χ. εκείνοι που περιέχουν βανάδιο Ιόν µετάλλου πάνω σε ζεόλιθο ή κρυσταλλικό πυριτικό άλας, π.χ. Cu-ZSM-5 [Gomez- Garcia κ.ά., 2005].

14 Πρόσφατα, οι καταλύτες µε οξείδια µετάλλων έχουν αντικατασταθεί από ζεόλιθους. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στον Fe- ZSM-5 καταλύτη που χρησιµοποιείται τόσο στην εκλεκτική καταλυτική αναγωγή µε ΝΗ 3 όσο και µε υδρογονάνθρακες (HC). Ο καταλύτης αυτός παρουσιάζει µεγάλη ενεργότητα στη µείωση των NOx και υψηλή αντοχή σε SO 2 και H 2 O [Qi και Yang, 2005]. Επίσης, οι καταλύτες V 2 O 5 /TiO 2 αποδείχθηκαν πολύ σταθεροί ακόµα και παρουσία υδρατµών ή SO 2. Βέβαια, παρουσία υδρατµών και SO 2 παρατηρήθηκε ο σχηµατισµός NH 4 NO 3 ή (NH 4 ) 2 SO 4 στην επιφάνειά τους, αλλά αυτές οι ενώσεις αποσυντίθενται εύκολα κάτω από τους 300 ο C [Savva και Costa, 2011].

15 οι υποστηριζόµενοι καταλύτες ευγενούς µετάλλου Pt και οι καταλύτες υποστηριζόµενοι σε ζεόλιθο έχουν αποδειχθεί πολύ αποτελεσµατικοί για SCR- ΝΗ 3.Μολονότι οι Pt καταλύτες είναι δραστικοί σε χαµηλές θερµοκρασίες ( ο C),εµφανίζουν σηµαντικά χαµηλότερη εκλεκτικότητα προς Ν 2 συγκριτικά µε άλλους καταλύτες. Αντίθετα, οι καταλύτες ζεόλιθου είναι δραστικοί σε υψηλότερες θερµοκρασίες ( ο C)

16 Μονόλιθοι με βανάδιο

17 Προετοιμασία και χαρακτηρισμός καταλυτικών υλικών

18 Υγρή διαπότιση του μεταφορέα με ένα οξινισμένο διάλυμα ύδατος μεταβαναδικού αμμωνίου που ακολουθείται από ξήρανση και ασβεστοποίηση. Καταλύτες τιτανίου/βαναδίου με μονοστρωματική κάλυψη χρησιμοποιώντας ακετυλοξικό βαναδύλιο. Οι καταλύτες μονοστρωματικής κάλυψης παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες σε παρόμοιες φορτώσεις βαναδίου από εκείνες των εμπορικών καταλυτών

19 Η υγρή διαπότιση δεν είναι εφικτή για όλους τους τύπους καταλυτών. Πχ ο καταλύτης πυρίτιο/βανάδιο Μπορεί όμως να παρασκευαστεί με ομοιογενή απόθεση. Χρησιμοποιείται χαμηλό σθένος του μετάλλου παραγώμενου από καθόδική αναγωγή υψηλότερου σθένους λόγω χαμηλότερης οξύτητας και υψηλότερης διαλυτότητας. Επιτυγχάνεται πυκνότητα βαναδίου ανά μονάδα επιφάνειας που αυξάνεται με επανάληψη διαδικασίας. 1 φορά 0,6 ιόντα βαναδιου/nm2 2 φορές 1,6 ιόντα βαναδιου/nm2 3 φορές 2,6 ιόντα βαναδιου/nm2 επιφάνεια καλυμμένη κατά 40% με μονό στρώμα οξειδίου του βαναδίου.

20 βαναδιο

21

22

23

24

25 Καταλύτης από φύλλο αλουμίνας ντυμένο με μίγματα V2O5/TiO2 και στις δυο πλευρές. Μείωση αντίδρασης με αυξανόμενο πάχος καταλυτών Σε θερμοκρασία <663 Κ μείωση αποδοτικότητας αλλά αύξηση επιλεκτικότητας όσον αφορά το άζωτο. Το νερό εμποδίζει την ικανότητα άμεσης αντίδρασης βαναδίου στο τιτάνιο γιατί τα μόρια του προσροφούνται στις θέσεις πρόσδεσης της αμμωνίας.

26 Καταλύτες ευγενών μετάλλων Πλεονεκτήματα: Υψηλή ενεργότητα κατά την αναγωγή των NOx Αντοχή σε δηλητήρια (π.χ. SO 2 ) Θερμική σταθερότητα παρουσία H 2 O Μειονεκτήματα : Υψηλή τάση προς παραγωγή N 2 O αντί N 2 Στενό θερμοκρασιακό παράθυρο λειτουργίας Τροποποίηση των καταλυτικών ιδιοτήτων των ευγενών μετάλλων (Pt, Pd, Rh) έτσι ώστε να εμφανίζουν : αυξημένη εκλεκτικότητα ως προς Ν 2 παρά σε Ν 2 Ο διευρυμένο θερμοκρασιακό παράθυρο λειτουργίας

27 Οι Pd, Rh και Ir καταλύτες βρέθηκαν να είναι αδρανείς προς την αναγωγή του ΝΟ. το ΝΟ µειώθηκε αποτελεσµατικά με καταλύτες Pt/Al 2 O 3 (50% µετατροπή στους 140 ο C) και 1%Pt/SiO 2 (75% µετατροπή στους 90 ο C). Το N 2 O σχηµατίζεται σε µεγάλες ποσότητες.η εκλεκτικότητα ως προς Ν 2 Ο επηρεάζεται εύκολα από τις συνθήκες αντίδρασης. Ο σχηµατισµός του N 2 O αυξήθηκε παρουσία H 2 O και µειώθηκε µε την αύξηση της θερµοκρασίας. η αύξηση της συγκέντρωσης του ΝΟ µείωσε τη δραστικότητα για την αναγωγή του ΝΟ. η αύξηση της συγκέντρωσης Η 2 αύξησε τη δραστικότητα για την αναγωγή του ΝΟ.

28 SCR-H 2 Fu και Chuang (1989) Αυτοί ανέφεραν ότι µετατροπές ΝΟx 60-80% ελήφθησαν σε θερµοκρασίες άνω των 55 o C µε τη χρήση καταλυτών ευγενών µετάλλων στηριζόµενοι σε συµπολυµερές στυρένιο-δι-βινυλβενζολίου (SDB). Η καταλυτική δραστικότητα των ευγενών µετάλλων βρέθηκε να είναι Pt > Pd-Ru > Pd > Ru >> Au. η χαµηλή θερµοκρασία αντίδρασης ήταν απαραίτητη για την εκλεκτική ΝΟ-Η 2 αντίδραση, οφείλεται στην ανταγωνιστική αντίδραση µεταξύ Η 2 και Ο 2. η εισαγωγή του H 2 O δεν επηρεάζει την αντίδραση λόγω του υδρόφοβου υλικού υποστήριξης. Συνεπώς, ο λευκόχρυσος (Pt) αποδείχθηκε το πιο δραστικό µέταλλο για SCR-H 2 µεταξύ των ευγενών µετάλλων, αν και οδηγεί στον ανεπιθύµητο σχηµατισµό N 2 O

29 SCR-H 2 Το 1997, ο Yokota κ.ά. (1997) ανέφερε ότι Pt εµφανίζει την υψηλότερη δραστικότητα στη µείωση των NOx µεταξύ των µετάλλων της οµάδας της πλατίνας, όταν στηρίζεται σε Al 2 O 3. Για το Pt, η σειρά αποτελεσµατικότητας του υποστρώµατος του καταλύτη ήταν η εξής: ZSM-5 ~ µορντενίτης> SiO 2 > Al 2 O 3 η µετατροπή του ΝΟ και η εκλεκτικότητα N 2 /N 2 O εξαρτώνται έντονα από το υπόστρωµα του Pt καταλύτη. Υποστρώµατα Al 2 O 3 και SiO 2 παρουσίασαν υψηλή µετατροπή του ΝΟ κάτω από τους 100 ο C µε εκλεκτικότητα 60% σε N 2 O. Η χαµηλή δραστικότητα του Pt σε CeO 2 απέδειξε ότι η βασικότητα του υποστρώµατος επηρεάζει αρνητικά τη δραστικότητα. Αντιθέτως, δυαδικά οξείδια µε οξύτητα παρουσιάζουν γενικά καλή καταλυτική απόδοση: TiO 2 -ZrO 2, το οποίο παρουσιάζει υψηλή δραστικότητα προς σχηµατισµό Ν 2. η αιτία της υψηλής εκλεκτικότητας της αντίδρασης ΝΟ-Η 2 έναντι της ΝΟ-Ο 2 αντίδρασης:ο σχηµατισµός νιτρικών εξαιτίας της οξειδωτικής προσρόφησης του ΝΟ καλύπτει την επιφάνεια του Pt και αναστέλλει έτσι την αντίδραση Η 2 -Ο 2 [Hamada και Haneda, 2012].

30 H παρουσία ισχυρών όξινων θέσεων σε υπόστρωµα οξειδίου µετάλλου ενισχύει την αντίδραση των προσροφηµένων ΝΗ 4 + προς σχηµατισµό Ν 2 αντί του Ν 2 Ο Άλλοι συνδυασµοί του Pt µε διάφορα υποστρώµατα που µελετήθηκαν και παρουσίασαν υψηλές µετατροπές ΝΟ προς Ν 2 είναι ο Pt/Al-MCM-41, Pt/ZSM- 35, Pt/perovskite, Pt/La Ce Mn O, καθώς επίσης και Pt σε οξείδια µετάλλων όπως Pt/MgO CeO 2 [Hamada και Haneda, 2012]. Ένα άλλο µέταλλο που µελετήθηκε αρκετά ως προς τη δραστικότητα του στην εκλεκτική καταλυτική αναγωγή των ΝΟx µε Η 2 είναι το παλλάδιο (Pd). Η δραστικότητα του Pd επηρεάζεται ιδιαίτερα από το υπόστρωµα, ακριβώς όπως και η Pt, και για αυτό το λόγο το Pd µελετήθηκε µε διάφορα υποστρώµατα όπως ΤiO 2, Al 2 O 3, MFI, Ti-PILC, ΤiO 2 -Al 2 O 3, perovskite, K 2 O 6TiO 2. Επίσης, έχουν γίνει µελέτες για την προώθηση της δράσης του Pd µε V 2 Ο 5 (1%Pd 5%V 2 O 5 /TiO 2 Al 2 O 3 ) και µε LaFeO 3 (La 0.8 Sr 0.2 Fe 0.9 Pd 0.1 O 3 ) [Hamada και Haneda, 2012].

31 ζεόλιθοι η οµάδα µελέτησε το ζεόλιθο ως υπόστρωµα, ο οποίος εµφάνισε υψηλή εκλεκτικότητα ως προς το σχηµατισµό Ν 2 εξαρτάται από την οξύτητα του υποστρώµατος, η οποία συνδέεται µε την ύπαρξη των επιφανειακών ΝΗ 4 +.

32 ΝΟ+HC

33 Η τεχνολογία της εκλεκτικής καταλυτικής αναγωγής των NOx µε υδρογονάνθρακες παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήµατα και ορισµένα µειονεκτήµατα. Ένα από τα κυριότερα πλεονεκτήµατα είναι: η ταυτόχρονη αποµάκρυνση των NOx και των VOCs. οι υδρογονάνθρακες ως αναγωγικό µέσο είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικοί οικονοµικά, ενώ και τα πάγια κόστη επένδυσης και τα λειτουργικά έξοδα της διεργασίας είναι χαµηλά. Μειονεκτήματα: οι καταλύτες παρουσιάζουν συνήθως υψηλό κόστος είναι ενεργοί µόνο σε περιορισµένη θερµοκρασιακή περιοχή Για αυτό το λόγο, υπάρχει µία συνεχής ανάγκη έρευνας για καταλύτες που θα ενισχύουν την αναγωγική δράση των υδρογονανθράκων στο µέγιστο βαθµό σε ένα µεγάλο θερµοκρασιακό εύρος ενώ ταυτόχρονα θα είναι ανθεκτικοί σε δηλητήρια όπως το SO 2 και το Η 2 Ο.

34 Από τους ζεολιθικούς καταλύτες που µελετήθηκαν στη διεργασία NO + HC, το µεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι ιονανταλλαγµένοι µε ιόντα χαλκού και κοβαλτίου ζεόλιθοι [Wojciechowska κ.ά., 1999]. ιαπιστώθηκε ότι µε χρήση καταλύτη Cu-ZSM-5 είναι δυνατή η διεξαγωγή της αντίδρασης ακόµη και παρουσία O 2. εµφανίζει καλές καταλυτικές ιδιότητες, παρουσία H 2 O ή SO 2 παρατηρείται σηµαντική µείωση της καταλυτικής ενεργότητας. συστήµατα κοβαλτίου-ζεολίθων έχουν καλές προοπτικές εφαρµογής απουσία δηλητηρίων. Κατά την αντίδραση NO+C 3 Η 8 +Ο 2 πάνω σε καταλύτη Cο-ZSM-5, η µέγιστη απόδοση, εξαρτάται από το ποσοστό του κοβαλτίου. όσο µικρότερο είναι το ποσοστό του κοβαλτίου τόσο µικρότερη είναι και η θερµοκρασία στην οποία παρατηρείται η µέγιστη µετατροπή.

35 Συγκρίση µεταξύ των δύο καταλυτών Cu-ZSM-5 και Cο-ZSM-5 για τον καταλύτη Η θερµική κατεργασία του Cu-ZSM-5 πάνω από τους 500 o C οδηγεί στον σχηµατισµό ιόντων Cu 2+, τα οποία είναι ανενεργά στην διαδικασία αναγωγής των NOx. ο Cο-ZSM-5 είναι υδροθερµικά σταθερός, γεγονός το οποίο οφείλεται στην παρουσία των ιόντων κοβαλτίου Co 2+. Τα ιόντα αυτά βρίσκονται σταθεροποιηµένα στο κρυσταλλικό πλέγµα του ζεολίθου. τα συστήµατα Co-ζεολίθων θεωρούνται οι πιο ενεργοί καταλύτες µεταξύ των ζεολίθων, µε σηµαντικό µειονέκτηµα την αρνητική επίδραση του Η 2 Ο στην ενεργότητα τους. Ως υπόστρωµα των παραπάνω καταλυτών χρησιµοποιήθηκε ο ZSM-5. Αλλοι ζεόλιθοι όπως φερριερίτη, µοντερνίτη, ζεόλιθο τύπου Υ παρατηρήθηκαν πολύ υψηλές µετατροπές. µίγµα καταλύτη Ce-ZSM-5 µε Mn 2 O 3 για την αντίδραση NO+C 3 Η 8 +Ο 2 βελτίωση της ενεργότητας, ενώ το καθαρό Mn 2 O 3 ήταν τελείως ανενεργό

36 Στην περίπτωση της αντίδρασης NO+C 2 Η 4 +Ο 2 η σειρά ενεργότητας των καταλυτών του τύπου Μ-ZSM-5 (όπου Μ είναι το ιόν που ανταλλάσσεται) είναι [Wojciechowska κ.ά., 1999]: Ag = Co = Zn = Cu > H = Ni > Pt > Mn > Fe = Ca = La = Pd > Cr > Na η παρουσία υγρασίας µειώνει δραµατικά την ενεργότητα του καταλύτη. Για το λόγο αυτό γίνεται µια προσπάθεια ανεύρεσης ζεολιθικών καταλυτών οι οποίοι θα διατηρούν υψηλά ποσοστά ενεργότητας παρουσία υγρασίας. ο Fe- ZSM-5, ο οποίος εµφανίζει υψηλή ενεργότητα στην καταλυτική αναγωγή των NOx και σταθερότητα ακόµη και στην περίπτωση ύπαρξης υγρασίας (Η 2 Ο). Όταν επικρατούν χαµηλές θερµοκρασίες, η ύπαρξη υγρασίας είναι δυνατόν να προκαλέσει ακόµη και αύξηση της απόδοσης µετατροπής των NOx.

37

38

39 Απενεργοποίηση καταλυτών

40

41

42

43

44

45

46 Καταλυτικός έλεγχος ρύπανσης καυσαερίων 1. Ανοιχτού βρόγχου 2. Κλειστού βρόγχου 3. Διπλής στρώσης 4. Οξείδωσης 5. Φτωχής οξείδωσης (lean)

47 1. Τριπλός καταλύτης κλειστούβρόγχου.το ρεύμα του αερίου της εξάτμισης ταυτόχρονη αφαίρεση CO, HC, Nox.έλεγχος ποσότητας οξυγόνου για την βέλτιστη στοιχειομετρία. 2. Τριπλός καταλύτης ανοιχτού βρόγχου.όπως ο 1 τα αφαιρεί όλα.η σύνθεση καυσαερίου δεν ελέγχεται.φτηνός, μετατροπή 50%. 3. Διπλός καταλύτης. Δύο διαφορετικούς τύπους καταλυτών.ένας αποβάλει τα ΝΟΧ. Ο δευτερος οξειδώνει τα υπόλοιπα. 4. Καταλύτης οξειδωσης. Αφαίρεση CO, HC σε μεγάλο βαθμό, τα Nox δεν αφαιρούνται 5. Καταλύτης οξείδωσης αλλά σε μηχανές με φτωχό καύσιμο. λ= 1.8 χαμηλές θερμοκρασίες.

48 Καταλυτικά υλικά α. Κοκκώδεις καταλύτες 2 κόσκινα σε περίπου διαγώνια διάταξη μέσα σε ένα επίπεδο αντιδραστήρα Το κενό μεταξύ τους γεμίζει με κοκκώδεις καταλύτες. Διπλό κέλυφος έχει ο αντιδραστήρας

49 Καταλυτικά υλικά α. Κοκκώδεις καταλύτες Οι κόκκοι αποτελούνται από διάφορους τύπους αλουμίνας με επιφάνεια ΒΕΤ ~100m2/gr Το ποσοστό μαζικής μεταφοράς από τη φάση αερίου στον καταλύτη είναι ανάλογο προς τη γεωμετρική επιφάνεια του καταλύτη η οποία εξαρτάται από τη διάμετρο των κόκκων. Βέλτιστη διάμετρος κόκκων 2.4mm-4mm:Συνδυάζει υψηλή δύναμη συντριβήςχαμηλή πτώση πίεσης και γρήγορη μαζική μεταφορά αερίου στην επιφάνεια του καταλύτη

50 Καταλυτικά υλικά β. Μονολιθικοί καταλύτες Ενιαίο σώμα είτε κεραμικό είτε μεταλλικό είτε άλλο σύνθετο υλικό Τρία κύρια μέρη: i. Ένα κεραμικό μονολιθικό υλικό που φέρει τον καταλύτη ii. Ένα στρώμα από κεραμικό ή μεταλλικο πλέγμα περιβάλλει το κεραμικό υλικό ώστε να το προστατέψει από μηχανικά χτυπήματα και να χρησιμεύσει ως θερμική μόνωση. iii. Μεταλλικό κάλυμμα από υψηλής ποιότητα αντιδιαβρωτικό χάλυβα που παρεμβάλλεται στο σωλήνα εξάτμισης. Εξασφαλίζει το καυσαέριο να διατρέχει τον κεραμικό μονόλιθο.

51 Καταλυτικά υλικά β. Μονολιθικοί καταλύτες

52 Καταλυτικά υλικά β. Μονολιθικοί καταλύτες Κανάλια μονόλιθων- κενά διαστήματα μεταξύ τοιχωμάτων Κυκλικά, εξαγωνικά, τετραγωνικά και τριγωνικά Έχουμε διαφορά ως προς το μέγεθος των καναλιών και το πάχος των τοιχωμάτων, παράμετροι που μεταβάλλονται μέχρι ένα βαθμό ανεξάρτητα. Σήμερα τα συνηθέστερα είναι περίπυ 62 κανάλια και 1mm πλάτος καναλιών και πάχος τοιχωμάτων 0,15 mm. Ειδικό βάρος 430kg/m3

53 Καταλυτικά υλικά β. Μονολιθικοί μεταλλικοί καταλύτες Μονόλιθοι κατασκευασμένοι από μέταλλο. Κυψελιδωτά μεταλλικά φύλλα που περιβάλλονται από ανοξείδωτο χάλυβα υψηλής αντοχής από φύλλα πάχους 0.05 mm Διαφορές των κεραμικών-μεταλλικών μονολιθικών: i. Μεταλλική υποστήριξη μη-πορώδης. ii. Τα μεταλλικά φύλλα έχουν αρκετά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τις κεραμικές δομές-επιπτώσεις στις ιδιότητες του καταλύτη στη διάρκεια της ζωής του

54 Καταλυτικά υλικά β. Μονολιθικοί μεταλλικοί καταλύτες

55 Τεχνολογία της επένδυσης Με την επένδυση έπιτυγχάνουμε: Αύξηση της επιφάνειας της καταλυτικής δομής σε m2/l Επαρκή διασπορά των ευγενών μετάλλων Προσρόφηση για στοιχεία που προκαλούν δηλητηρίαση του καταλύτη. Υποστηρίζουν την καταλυτική λειτουργία των ευγενών μετάλλων Συμμετέχουν στην καταλυτική αντίδραση. Εγγυώνται την αντίσταση των ευγενών μετάλλων έναντι στις διαδικασίες απενεργοποίησης σε υψηλές θερμοκρασίες. Έχει πάχος 1000μm στα τοιχωματα και περίπου μm στις γωνίες υποστήριξης.

56 Τεχνολογία της επένδυσης

57 Τριαδικοί καταλύτες (TWC) (iii) Ρόδιο (Rh) Είναι το στοιχείο κλειδί του TWC για την αναγωγή των NOx, εφόσον έχει την ικανότητα της σχεδόν ολοκληρωτικής διασπαστικής ρόφησης του NΟ. Μάλιστα η Ν 2 /Ν 2 Ο-εκλεκτικότητα που επιτυγχάνει, προσεγγίζει το 100%, ιδιαιτέρα σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Όμως, το Rh είναι πολύ σπανιότερο των άλλων ευγενών μετάλλων (Pt, Pd) οπότε σημαντικά ακριβότερο. Η μείωση της χρήσης του Rh από περιβαλλοντικής άποψης θα ήταν επίσης επιθυμητή ΠΙΝΑΚΑΣ: Η αναλογία των ευγενών μετάλλων στα ορυκτά της Ν. Αφρικής Ορυχείο Pt Pd Rh Merensky UG Platreef

58 Αδυναμίες της τεχνολογίας των TWCs Αν και η τεχνολογία των τριοδικών καταλυτικών μετατροπέων παρέχει μια ικανοποιητική λύση για την αντιμετώπιση της ρύπανσης από το αυτοκίνητο, η μακρόχρονη πλέον εμπειρία μας από την χρήση της (>40 ετών) μας υπέδειξε ορισμένες αδυναμίες τις οποίες παρουσιάζει. Η περιβαλλοντική κατάλυση αναζητά επίμονα λύσεις στα εν λόγω προβλήματα που παρατίθενται παρακάτω: Κόστος TWC, χρήση Rh: Το κόστος των εμπορικών TWC είναι σχετικά υψηλό για δυο λόγους: έχουν σχετικά μεγάλη φόρτιση ευγενών μετάλλων και χρησιμοποιούν αναγκαστικά το σπάνιο και ακριβό Rh για την αναγωγή των NOx. Είναι λοιπόν προφανές ότι: Οποιαδήποτε ενέργεια που θα είχε ως αποτέλεσμα την ενίσχυση των καταλυτικών ιδιοτήτων των ευγενών μετάλλων που χρησιμοποιεί ο καταλυτικός μετατροπέας καθώς και την μείωση ή αντικατάσταση του σπάνιου και ακριβού Rh, χωρίς αυτή η ενέργεια να επιβαρύνει την αποδοτικότητα του μετατροπέα, θα μεταφραζόταν σε σημαντική ελάττωση του κόστους. Παραγωγή ανεπιθύμητου N 2 O: Οι αντιδράσεις που αφορούν την αναγωγή των ΝΟx, εκτός από τον σχηματισμό του επιθυμητού Ν 2, οδηγούν δυστυχώς και στην παραγωγή του ανεπιθύμητου N 2 O, σε ποσοστά που σε ορισμένες περιπτώσεις (συνθήκες) πλησιάζουν και το 20% της συνολικής μετατροπής του ΝΟ. Καθόσον είναι πλέον γνωστή η δράση του Ν 2 Ο στην καταστροφή του στρατοσφαιρικού όζοντος (τρύπα όζοντος) και η συνεισφορά του στο φαινόμενο του θερμοκηπίου: οποιαδήποτε βελτίωση της εκλεκτικότητας των μετατροπέων κατά την αναγωγή των ΝΟx προς την κατεύθυνση παραγωγής Ν 2 αντί για Ν 2 Ο θα ήταν άκρως επιθυμητή.

59