Katalytický rozklad NO

Tereza Bílková

Doctoral thesis

xxx

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na přímý katalytický rozklad NO na kyslík a dusík za použití směsného oxidu Co4MnAlOx promotovaného draslíkem. Bylo připraveno 27 vzorků lišících se kalcinační teplotou, dobou kalcinace a/nebo množstvím draslíku. Fyzikálně-chemické vlastnosti připravených katalyzátorů byly charakterizovány pomocí AAS, ICP-OES, SBET, RTG, XPS, SEM-EDX, TEM, TPR-H2, TPD-CO2, TPD-NO, FTIR, výstupní práce elektronů a termální alkalické desorpce. Rozklad NO byl studován v teplotním intervalu 540-700 °C při WHSV = 6 l g-1 h-1. Vstupní směs byla tvořena 500-8000 ppm NO/N2, v případě měření vlivu kyslíku bylo do vstupní směsi přidáno 0-3 mol.% O2. Kalcinační teplota a množství draslíku znatelně ovlivňují fyzikálně-chemické vlastnosti katalyzátorů. S rostoucí kalcinační teplotou a dobou kalcinace klesá specifický povrch a množství reziduálního draslíku, roste velikost krystalitů, zhoršuje se redukovatelnost, dochází ke změně množství středně silných a silných bazických míst a vzniku odlišných fází (KMn8O16, K2Mn4O8 a K1,39Mn3O6) detekovatelných na RTG. S rostoucím množstvím draslíku dochází k poklesu velikosti specifického povrchu a zvětšování pórů, zhoršení redukovatelnosti a poklesu množství redukovatelných složek na povrchu katalyzátoru, změně fázového složení z KMn8O16 na K2Mn4O8 a K1,39Mn3O6 , a množství středně silných a silných bazických míst. Vliv kalcinační teploty a vliv množství draslíku na výslednou konverzi NO není u vzorků s obsahem K ≥ 2 hm.% signifikantní. U vzorků s množstvím draslíku ≤ 2 hm.% konverze NO s rostoucím množstvím K ve vzorku roste. Přítomnost draselného promotoru hraje klíčovou roli při rozkladu NO. Alkalický kov pravděpodobně zeslabuje vazbu Co-O, což umožňuje desorpci O2 vzniklého z rozkladu NO. Nepromotované vzorky vykazují minimální konverzi NO způsobenou zaplněním aktivních míst kyslíkem, který se z povrchu nedesorbuje. V přítomnosti kyslíku v reakční směsi dochází k výraznému snížení konverze NO až na nulovou hodnotu pro množství 3 mol.% O2 v reakční směsi. Vliv doby kalcinace na výslednou konverzi NO nebyl prokázán. Všechny vzorky promotované K lze považovat za stabilní bez ohledu na kalcinační teplotu, dobu kalcinace a množství draslíku. Za nejvhodnější katalyzátory testované v rámci tuto práce lze považovat ty s obsahem 2 hm.% K kalcinované na 700 a 800 °C. Na základě experimentů s izotopicky značeným plynem byl navržen reakční mechanismus katalytického rozkladu NO na K/Co4MnAlOx.

Abstract:

The dissertation thesis deals with direct NO catalytic decomposition to oxygen and nitrogen over K-promoted Co4MnAlOx mixed oxides. 27 samples were prepared using different calcination temperature, calcination time and potassium amount. Physico-chemical properties of prepared catalysts were characterized by AAS, ICP-AES, SBET, XRD, SEM-EDX, TEM, TPR-H2, TPD-CO2, TPD-NO, FTIR, work function and species-resolved thermal alkali desorption. NO decomposition was studied at temperature range of 540-700 °C and GHSV = 6 l g-1 h-1. The inlet gas was composed of 500-8000 ppm NO in N2, in case of measurements in presence of oxygen 0-3 mol.% O2 was added. Calcination temperature and potassium amount significantly affect the physico-chemical properties of prepared catalysts. With increasing calcination temperature and calcination time, the specific surface area and the amount of residual potassium decreases, crystallite size increases, reducibility gets worse, the amount of medium and strong basic sites changes and different phases (KMn8O16, K2Mn4O8 and K1,39Mn3O6) are detected on XRD. With increasing potassium amount, the specific surface area decreases and pores get bigger, the reducibility gets worse and the amount of reducible surface species decreases, the phase composition varies (from KMn8O16 to K2Mn4O8 and K1,39Mn3O6) and the amount of medium and strong basic sites changes. The effect of calcination temperature and potassium amount on NO conversion is not significant for samples with K ≥ 2 wt.%. The NO conversion increases with increasing calcination temperature for samples with K ≤ 2 wt.%. The presence of potassium promotor plays the key role in direct NO decomposition reaction. Alkali metal probably weakens the Co-O bond, which facilitate the desorption of O2 originated from decomposed NO. Non-promoted samples showed no activity which is caused by occupation of active sites by O2, which is not desorbed from catalyst surface. In the presence of oxygen in gas mixture, the catalytic activity significantly decreases with increasing oxygen amount. The effect of calcination time on NO conversion was not proved. All of the promoted samples can be considered as stable regardless the calcination temperature, time and potassium amount. From all tested catalysts, those with 2 wt.% of K calcined at 700 or 800 °C seems to be the most appropriate for the NO decomposition reaction. Based on the experiments performed with the isotopic labeled gas, the reaction mechanism was proposed.

Keywords

oxid dusnatý, katalytický rozklad, směsný oxid, promotor, draslík, kobalt, spinel

Keywords

nitric oxide, catalytic abatement, mixed oxide, promoter, potassium, cobalt, spinel

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 9. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2019
• Supervisor: Lucie Obalová
• Reader: Libor Čapek, Pavel Hasal, Kamila Kočí

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme / field:
Procesní inženýrství / Procesní inženýrství