Obtención y caracterización de cubrimientos zeolíticos sobre monolitos cerámicos

Resumen

La industria química ha mostrado un claro interés en el desarrollo de tecnologías limpias y sostenibles, con procesos más eficientes y menos contaminantes. En este marco, los reactores estructurados presentan ventajas significativas frente a los reactores de lecho fijo tradicionales. Dentro de estos sistemas estructurados, los reactores tipo monolitos se caracterizan por sus múltiples canales paralelos y/o interconectados. Esta configuración espacial es de particular interés en procesos que involucren grandes caudales gaseosos. El interés en incorporar zeolitas como fase activa, a estos sustratos monolíticos se debe a su reconocida actividad y estabilidad como catalizadores en un amplio número de procesos. En el caso particular de la reducción selectiva de NOx por metano en exceso de oxígeno (SCR-NOx), la actividad catalítica de diferentes zeolitas está condicionada por la disposición de los poros, la relación Si/Al y los elementos intercambiados. Se destacan entre estos materiales mordenita y ZSMS. El objetivo central de esta investigación es estudiar estrategias de síntesis de cubrimientos zeolíticos sobre un sustrato estructurado cerámico y analizar el comportamiento catalítico de los mismos para una aplicación ambiental especifica, reducción catalítica selectiva de NOx por CH4 en exceso de 02. Síntesis hidrotermal de ZSM-5 sobre monolito de cordierita_ la morfología y orientación preferencial de crecimiento de los cristales en los cubrimientos de ZSM-5 tienen una fuerte dependencia con el método de síntesis hidrotermal elegido: in situ o asistido por siembra, cuando se producen a partir del gel precursor con relación Si/Al: 100. Estas diferencias se desvanecen al aumentar el contenido de aluminio en el gel precursor. Además, esta mayor concentración de Al provoca que los cubrimientos obtenidos presenten un aspecto de gel denso donde se encuentran embebidos cristales redondeados. La secuencia de dos síntesis consecutivas, correspondiente a una síntesis asistida por siembra con un gel precursor de relación Si/Al: 100 seguida por una segunda síntesis con un gel de relación Si/Al: 14, conduce a un cubrimiento homogéneo y con una importante adherencia. Síntesis hidrotermal de mordenita sobre monolito de cordierita: Las condiciones de síntesis elegidas conducen a la producción de cubrimientos de mordenita en una única síntesis de 24h, con alta carga y una razonable selectividad al desarrollo predominantemente sobre la pared del sustrato. revistiendo en su totalidad la superficie, y con espesores entre 40 y 1.00 um. Los cristales se caracterizan por su forma acicular de dimensiones micrométricas, con tendencia al crecimiento preferencial en el plano [001] y por el escaso intercrecimiento, lo que conduce a una separación entre cristales. En este tipo de cubrimientos, los reactantes podrían acceder fácilmente a los espacios entre cristales, para luego difundir a través del cristal utilizando los microcanales característicos de la mordenita. Incorporación del componente activo (cobalto) y caracterización de las especies-presentes: A partir de intercambio fónico, se obtiene una distribución homogénea de Co a lo largo de la capa de mordenita y la relación Co/Al final depende de las condiciones del intercambio. Las especies de cobalto presentes son esencialmente Co2+ en posiciones de intercambio, oxo e hidroxo, como lo demuestran los resultados obtenidos con la reducción a temperatura programada con H2 y con la desorción de NO a temperatura programada. Los sustratos con mayor contenido de Co presentan un pico de desorción de NO alrededor de 450°C, Este tipo de centros de absorción está ausente en catalizadores con menor contenido de Co. En los experimentos de TPD-NO se observa también, una señal de NO2 a alta temperatura, la cual no está asociada a una. especie de Co en particular y puede deberse a la reacción del NO con oxígenos remanentes en. la superficie en general.La incorporación de Co en los cubrimientos de ZSM-5 obtenido por doble síntesis es del orden de 0,35 % en peso respecto al peso de la zeolita, por lo que se espera una relación Co/Al baja a lo largo de la capa zeolítica. Este valor oscilaría entre 0,08 y 0,1. Evaluación del comportamiento catalítico en la reacción de reducción catalítica selectiva de NO por CH4 en exceso de 02 (SCR-NO): Los cubrimientos de Co-mordenita. producidos sobre las paredes de un monolito de cordierita, presentaron un comportamiento catalítico para esta reacción comparable con el correspondiente ala misma estructura zeolítica, intercambiada con Co, pero evaluada en forma de partículas (tamaño de la partícula < 250 pm) en un reactor de lecho fijo. La actividad de los cubrimientos de Co-ZSMS producido por dos síntesis hidrotermales consecutivas, con dos diferentes relaciones Si/Al: 100 y 14, es despreciable en las condiciones de trabajo empleadas, lo que se atribuye al bajo contenido de cobalto incorporado. Los cubrimientos de mordenita mostraron una alta adherencia a las paredes del monolito de cordierita e importante estabilidad térmica.