Optimalizace obsahu cesia ve směsných kobaltových oxidech pro katalytický rozklad N2O

Žaneta Chromčáková

Doctoral thesis

Optimization of cesium content in cobalt mixed oxides for N2O catalytic decomposition

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá katalytickým rozkladem N2O na směsných oxidech s obsahem aktivních složek – kobaltu a manganu, které byly modifikovány cesiovým promotorem. Série směsných oxidů Co4MnAlOx modifikovaných cesiem v koncentračním rozmezí 0,6 – 4,5 hm. % byla připravena kalcinací prekurzoru se strukturou hydrotalcitu s molárním poměrem Co:Mn:Al = 4:1:1. Vzniklý směsný oxid byl následně impregnován cesiem pomocí metody zaplňování pórů za použití dvou solí – Cs2CO3 a CsNO3. Připravené vzorky katalyzátorů byly charakterizovány několika analytickými metodami – AAS, XRD, SBET, TPR-H2, TPD-CO2, TPD-NH3, XPS, a TAD. Experimentální měření katalytického rozkladu N2O bylo provedeno v laboratorním nerezovém trubkovém průtočném reaktoru s integrální vrstvou katalyzátoru v teplotním rozmezí 210 – 450 °C. Specifický povrch směsného oxidu Co4MnAlOx byl roven 92 m2/g a modifikací cesiem k jeho významné změně nedošlo. XRD analýzou byla ve vzorcích katalyzátorů identifikována spinelová fáze. Se stoupajícím množstvím cesia stoupala i bazicita jednotlivých vzorků. Vzorky modifikované cesiem za použití CsNO3 vykazovaly poněkud horší redukovatelnost než vzorky modifikované cesiem za použití Cs2CO3. Termální alkalická desorpce ukázala, že cesium je na povrchu katalyzátoru stabilní až do teploty 550 °C. Aktivita katalyzátorů stoupala se zvyšujícím se množství cesia ve vzorku. Nejvyšší katalytickou aktivitu vykazovaly katalyzátory s množstvím cesia v rozmezí 3 – 4 hm. % bez ohledu na použitou cesiovou sůl, a to i v podmínkách simulujících odpadní plyn z výroby kyseliny dusičné. Na základě laboratorních výsledků katalytických testů byl zvolen optimální obsah cesia 3,4 hm. % pro výrobu poloprovozního katalyzátoru označeného AST3. Katalyzátor AST3 byl testován pro snížení emisí N2O v odpadním plynu v poloprovozním reaktoru připojeném na koncový plyn z výroby kyseliny dusičné ve společnosti BorsodChem MCHZ Ostrava. Při prostorové rychlosti 11 130 l.llože-1.h-1 a teplotě 450 °C bylo dosaženo vysoké konverze N2O v rozmezí 64 – 94 %, jejíž hodnota byla závislá na proměnlivém složení reakční směsi. Po 142 dnech provozu nebyla pozorována deaktivace. Bylo zjištěno, že cesium funguje jako elektronový promotor, umožňuje snadnější štěpení molekuly N2O na rozhraní Cs–Co. Posun teplotních maxim redukčních píků do nižších teplot se stoupajícím množstvím cesia ukazuje na snadnější redukci Co3+, což souvisí s oslabením vazby Co–O, čímž dochází ke snížení doby zdržení kyslíku na povrchu katalyzátoru. Testy TPD-O2 potvrdily, že optimální množství cesia napomáhá rychlejší desorpci kyslíku z povrchu katalyzátoru, což je rychlost určující krok katalytického rozkladu N2O.

Abstract:

This dissertation deals with N2O catalytic decomposition over mixed oxides containing active species – cobalt and manganese, which were modified with cesium promoter. A series of Co4MnAlOx mixed oxides modified by cesium in concentration range of 0.6 – 4.5 wt. % was prepared by calcination of hydrotalcite-like precursor with molar ratio Co:Mn:Al = 4:1:1. Subsequently formed mixed oxide was impregnated with cesium by pore filling method. Two different salts (Cs2CO3 a CsNO3) were used for impregnation. Samples was characterized by several analytical methods – AAS, XRD, SBET, TPR-H2, TPD-CO2, TPD-NH3, XPS and TAD. Experimental measurements of N2O catalytic decomposition was carried out in an integral fixed bed stainless steel reactor in temperature range of 210 – 450 °C. The specific surface area of Co4MnAlOx mixed oxide was 92 m2/g and no significant changes were observed after cesium modification. Spinel phase was identified by XRD analysis in catalyst samples. The sample basicity increased with increasing amount of cesium. Samples modified by cesium using CsNO3 exhibited relatively worse reducibility than ones modified by cesium using Cs2CO3. Thermal alkali desorption showed that cesium on the catalyst surface is stable until 550 °C. The catalyst activity increased with increasing cesium amount. The highest catalytic activity was achieved over catalysts with cesium amount in concentration range of 3 – 4 wt. % at conditions simulating the waste gas from nitric acid plant. Used impregnation salt had no influence on catalytic activity. Based on these laboratory results, optimal cesium amount of 3.4 wt. %. was chosen for preparing of pilot plant catalyst designated as AST3. AST3 catalyst was tested for N2O emission reduction in the waste gas in pilot plant reactor connected to tail gas from nitric acid production in BorsodChem MCHZ Ostrava. The high N2O conversion value of 64 – 94 % was achieved at space velocity 11 130 l.lbed-1.h-1 and 450 °C. These values were dependent on variable reaction mixture composition. No deactivation was observed after 142 days of operation. It was found that cesium acts as electron promoter. Small amount of cesium promotes easier scission of N2O molecule on Cs–Co interface. The shift of temperature maxima of TPR-H2 peaks to lower temperatures with increasing cesium amount confirmed easier Co3+ reduction which is related to weakening Co–O bond which leads to lowering of oxygen residence time on the catalyst surface. TPD-O2 tests confirmed that optimal amount of cesium promotes faster oxygen desorption from the catalyst surface, which is a crucial step for N2O catalytic decomposition.

Keywords

Oxid dusný, katalytický rozklad, hydrotalcit, směsný oxid, promotor, cesium

Keywords

Nitrous oxide, Catalytic decomposition, Hydrotalcite, Mixed oxide, Promoter, Cesium

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 11. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 15. 12. 2015
• Supervisor: Lucie Obalová
• Reader: Kamil Wichterle, Petr Klusoň, Libor Čapek

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme / field:
Procesní inženýrství / Procesní inženýrství