Εκλεκτική καταλυτική αναγωγή των οξειδίων του αζώτου με υδρογονάνθρακες σε συμβατικούς καταλυτικούς αντιδραστήρες σταθερής κλίνης και σε αντιδραστήρες μεμβράνης στερεών ηλεκτρολυτών αγωγών ιόντων νατρίου

Abstract

Atmospheric pollution resulted from human activities, is one of the most important problems that the developed countries should confront. Nitrogen oxides, NOx, have been included in the “criteria” pollutants category. The high atmospheric NOx concentration, is directly related with the “greenhouse” effect, depletion of the ozone layer, acid rain and chronic complaints of the human respiratory system. The aforementioned problems along with the increasing industrial development worldwide have triggered research efforts towards the development of methods/techniques capable to reduce NOx emissions. A solution to these problems is expected to be offered using environmental catalysis. The selective catalytic reduction of NOx with hydrocarbons is an attractive technology that is expected to reduce the anthropogenic emissions of NOx. The novelty of this technology lies in the use of unburned hydrocarbons as reducing agents, which co-exist in exhaust streams. In this context, the simultaneous effective removal of both hazardous gases can be achieved. The main goal of the present thesis concerns the development and optimization of metal/Al2O3 catalysts as well as the investigation of the reaction mechanism which describes the reduction of nitrogen oxides (ΝΟ and Ν2Ο) along with the simultaneous oxidation of unburned hydrocarbons. Furthermore the present thesis is also focused in the promotion of the most promising catalysts with alkali ions (Νa+ and Κ+) in order to alter their electronic properties to the desired direction and therefore to increase the achieved activity, stability and durability, both at ideal and practical conditions.

Η ατμοσφαιρική ρύπανση αποτελεί σήμερα ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των ανεπτυγμένων χωρών, λόγω της διατάραξης της φυσικής ισορροπίας που έχει προκληθεί από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Τα οξείδια του αζώτου (NOx­) έχουν συμπεριληφθεί στους σημαντικότερους και πλέον επικίνδυνους αέριους ρύπους. Φαινόμενα όπως αυτό του “θερμοκηπίου” και της υπερθέρμανσης του πλανήτη, της μείωσης του στρώματος του όζοντος στην στρατόσφαιρα, της όξινης εναπόθεσης, των χρόνιων παθήσεων του αναπνευστικού συστήματος των ανθρώπων κ.α. συνδέονται άμεσα με τις υψηλές συγκεντρώσεις των NOx στην ατμόσφαιρα. Η επιδείνωση αυτών των προβλημάτων, σε συνδυασμό με την καλπάζουσα βιομηχανική ανάπτυξη, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για τον έλεγχο και την ανάπτυξη τεχνολογιών ικανών να περιορίσουν τις εκπομπές των NOx. Η εκλεκτική καταλυτική αναγωγή των οξειδίων του αζώτου με υδρογονάνθρακες αποτελεί μια τεχνολογία που θεωρείται ότι δύναται να περιορίσει τις ανθρωπογενείς εκπομπές των NOx. Η καινοτομία της τεχνολογίας έγκειται στην χρήση άκαυστων υδρογονανθράκων, οι οποίοι επίσης περιέχονται στα καυσαέρια των διεργασιών και μπορούν να αντικαταστήσουν την ιδιαίτερα τοξική και διαβρωτική ΝΗ3 που χρησιμοποιείται σήμερα σε βιομηχανικές εφαρμογές, ως αναγωγικό μέσο. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ταυτόχρονη απομάκρυνσή των επίσης επικίνδυνων για την υποβάθμιση της ατμόσφαιρας υδρογονανθράκων μαζί με τα NOx. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορά στην ανάπτυξη και στην βελτιστοποίηση καταλυτικών συστημάτων μετάλλου/Al2O3 καθώς και στην διερεύνηση του μηχανισμού των υπό μελέτη διεργασιών για την αναγωγή των εκλυόμενων, στα απαέρια μονάδων παραγωγής ισχύος, οξειδίων του αζώτου (ΝΟ και Ν2Ο), με την ταυτόχρονη οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων, των ίδιων των απαερίων, με σκοπό την αμοιβαία ελάττωση των εκπομπών τους. Σε ένα δεύτερο επίπεδο, η διδακτορική διατριβή εστιάστηκε στην ενίσχυση των επιλεγόμενων καταλυτικών συστημάτων με αλκαλικά ιόντα (Νa+ και Κ+) με σκοπό την μεταβολή των ηλεκτρονιακών τους ιδιοτήτων προς την επιθυμητή κατεύθυνση και κατά συνέπεια την αύξηση της επιτευχθείσας ενεργότητας και σταθερότητάς τους, τόσο σε ιδανικές όσο και σε πραγματικές συνθήκες αντίδρασης