Въглеродният окис (CO) е често срещан компонент в отработените газове от различни горивни процеси, като тези в превозни средства и промишлени котли. Селективната каталитична редукция (SCR) е добре установена технология за намаляване на емисиите на азотни оксиди (NOₓ). Базираните на Fe SCR катализатори привлякоха значително внимание поради тяхната отлична термична стабилност, широк работен температурен прозорец и екологичност. Като доставчик на базирани на Fe SCR катализатори, разбирането на ефекта на въглеродния окис върху тези катализатори е от решаващо значение за оптимизиране на тяхната производителност и спазване на строгите разпоредби за емисии.
Механизъм на взаимодействие между CO и Fe-базирани SCR катализатори
Взаимодействието между въглероден окис и базирани на Fe SCR катализатори е сложно и включва множество стъпки. На молекулярно ниво СО може да се адсорбира върху повърхността на основания на Fe катализатор. Видовете желязо на повърхността на катализатора играят жизненоважна роля в този процес на адсорбция. Fe³⁺ и Fe²⁺ местата могат да взаимодействат с CO молекулите чрез различни механизми.
Когато CO се адсорбира върху повърхността на катализатора на основата на Fe, той може да образува карбонилни комплекси с железни йони. Например, Fe³⁺ може да реагира с CO, за да образува Fe(CO)ₙ⁺ видове, където n зависи от условията на реакцията. Тези карбонилни комплекси могат да променят електронната структура на железните места на повърхността на катализатора. Промяната в електронната структура може допълнително да повлияе на адсорбцията и активирането на други реагенти, участващи в SCR реакцията, като NO и NH3.
В допълнение към образуването на карбонилни комплекси, CO може също да участва в редокс реакции на повърхността на катализатора. Може да действа като редуциращ агент, редуциращ Fe³⁺ до Fe²⁺. Този редокс процес може да повлияе на разпределението на степента на окисление на желязото върху катализатора, което е тясно свързано с каталитичната активност на базирания на Fe SCR катализатор. Промяната в степента на окисление на желязото може да промени силата на адсорбция на реагентите и реакционните пътища на SCR реакцията.
Въздействие върху кинетиката на SCR реакцията
Наличието на CO може да окаже значително влияние върху кинетиката на SCR реакцията при катализатори на основата на Fe. При отсъствието на CO реакцията на SCR обикновено следва механизмите на Eley - Rideal или Langmuir - Hinshelwood. NH₃ адсорбира върху повърхността на катализатора и реагира с газообразен NO или адсорбирани видове NO, за да образува N2 и H2O.
Когато CO присъства в реакционната система, той може да се конкурира с NH3 и NO за активните центрове на повърхността на катализатора. Тъй като CO има сравнително висок адсорбционен афинитет към железните места на основания на Fe катализатор, той може да заема значителен брой активни места. Тази конкуренция за активни центрове може да доведе до намаляване на адсорбцията на NH3 и NO, като по този начин намалява скоростта на реакцията на SCR реакцията.
Освен това, редокс реакциите, включващи CO, могат да променят повърхностните свойства на катализатора, като повърхностната киселинност и основност. Повърхностната киселинност е от решаващо значение за адсорбцията и активирането на NH3, докато повърхностната основност може да повлияе на адсорбцията на NO. Промяна в тези свойства на повърхността поради наличието на CO може да наруши нормалната кинетика на SCR реакцията.
Въпреки това, в някои случаи определено количество CO може да има положителен ефект върху SCR реакцията. Редокс реакциите между CO и повърхността на катализатора могат да генерират свободни места за кислород. Тези кислородни свободни места могат да подобрят мобилността на кислородните видове върху повърхността на катализатора, което може да насърчи окисляването на NO до NO₂. Наличието на NO₂ в SCR реакцията може да ускори общата скорост на реакцията чрез така наречената "бърза SCR" реакция, където реакцията между NH3, NO и NO₂ протича с много по-висока скорост от реакцията между NH3 и NO самостоятелно.
Влияние върху стабилността на катализатора
Дългосрочната стабилност на Fe-базирани SCR катализатори е важен фактор за тяхното практическо приложение. Въглеродният окис може да повлияе на стабилността на тези катализатори по няколко начина.
Едно от основните опасения е възможността за отлагане на въглерод върху повърхността на катализатора. Когато CO присъства в отработените газове, той може да се разложи на повърхността на катализатора при определени условия, което води до образуването на въглеродни видове. Тези въглеродни отлагания могат да блокират порите на катализатора, намалявайки повърхността, налична за SCR реакцията. В резултат на това каталитичната активност на базирания на Fe SCR катализатор постепенно намалява с времето.
В допълнение, редокс реакциите между CO и катализатора могат да причинят структурни промени в катализатора. Повтарящите се цикли на окисление и редукция поради наличието на CO могат да доведат до синтероване на частиците на катализатора. Агломерирането намалява дисперсията на активните компоненти върху повърхността на катализатора, което от своя страна намалява броя на активните центрове, налични за SCR реакцията.
Въпреки това SCR катализаторите на основата на Fe обикновено имат добра устойчивост на отлагане на въглерод и структурни промени в сравнение с някои други видове катализатори, като напр.SCR катализатор на базата на ванадий. Високата термична стабилност на Fe-базирани катализатори им позволява да издържат на суровите условия в присъствието на CO до известна степен.
Сравнение с други катализатори в присъствието на CO
При сравняване на SCR катализатори на основата на Fe с други видове катализатори, като катализатори на основата на ванадий и зеолит, в присъствието на CO могат да се наблюдават няколко разлики.
Базираните на ванадий SCR катализатори се използват широко в индустриални приложения. Въпреки това, те са по-чувствителни към присъствието на CO. CO може да реагира с ванадиевите видове на повърхността на катализатора, което води до образуването на ванадиеви карбонилни съединения. Тези съединения могат да причинят дезактивиране на катализатора чрез промяна на степента на окисление на ванадий и блокиране на активните центрове. За разлика от тях SCR катализаторите на основата на Fe показват по-добра устойчивост на дезактивиране, предизвикано от CO, поради тяхната различна повърхностна химия и електронна структура.
Базираните на зеолит SCR катализатори също имат свои собствени характеристики в присъствието на CO. Зеолитите имат добре дефинирана структура на порите и CO може да се адсорбира в порите. Тази адсорбция може да доведе до блокиране на порите, намалявайки дифузията на реагентите към активните центрове. Базираните на Fe SCR катализатори, с тяхната относително отворена структура и различни адсорбционни свойства, са по-малко склонни към такива проблеми със запушване на порите, причинени от CO.
Практически последици в системите за контрол на емисиите
В практическите системи за контрол на емисиите, като тези в дизеловите двигатели, трябва да се има предвид наличието на CO в отработените газове, когато се използват SCR катализатори на основата на Fe. Дизеловите двигатели обикновено произвеждат значително количество CO заедно с NOₓ. За да се гарантира ефективната работа на системата SCR, взаимодействието между CO и катализатора на основата на Fe трябва да се управлява внимателно.
Един подход е да се използва комбинация от различни катализатори в системата за контрол на емисиите. Например, aДизелов окислителен катализаторможе да се постави преди SCR катализатора на основата на Fe. Дизеловият окислителен катализатор може да окисли голяма част от CO в отработените газове до CO₂, преди да достигне до SCR катализатора. Това намалява отрицателното въздействие на CO върху основания на Fe SCR катализатор и подобрява цялостната работа на системата за контрол на емисиите.
Друг важен аспект е дизайнът на самия SCR катализатор на основата на Fe. Чрез оптимизиране на състава и структурата на катализатора, неговата устойчивост на CO може да бъде допълнително подобрена. Например, добавянето на определени промотори към Fe-базиран катализатор може да подобри неговите редокс свойства и да намали адсорбцията на CO върху активните центрове.
Заключение
Като доставчик на базирани на Fe SCR катализатори, разбирането на ефекта на въглеродния окис върху тези катализатори е от съществено значение за предоставянето на висококачествени продукти на нашите клиенти. Въглеродният окис може да взаимодейства с Fe-базирани SCR катализатори по много начини, засягайки кинетиката на реакцията, стабилността на катализатора и цялостната производителност на SCR системата. Въпреки че CO може да има някои отрицателни въздействия върху катализатора, правилното проектиране и интегриране на катализатора в системата за контрол на емисиите може да смекчи тези ефекти.
Ако се интересувате от нашите SCR катализатори на основата на Fe и искате да обсъдите вашите специфични изисквания за контрол на емисиите, моля не се колебайте да се свържете с нас. Ние се ангажираме да ви предоставим най-добрите решения за намаляване на емисиите на NOₓ в присъствието на различни компоненти на отработените газове, включително въглероден окис.
Референции
- Liu, Y. & Flytzani - Stephanopoulos, M. (2014). Механични изследвания на NH3 - SCR върху Fe - обменени зеолити: Роля на адсорбираните видове NO3. Catalysis Today, 234, 30 - 36.
- Wang, H., & Yang, RT (2009). Механизъм на селективна каталитична редукция на NOₓ с NH3 върху Fe - ZSM - 5 катализатори. Journal of Catalysis, 261 (2), 173 - 183.
- Буска, Г., Лиети, Л., Рамис, Г. и Берти, Ф. (1998). Най-новото в NOₓ SCR катализа за стационарни източници. Catalysis Today, 46 (1 - 2), 63 - 101.
