Καταλυτική οξείδωση πτητικών οργανικών ενώσεων σε απαέρια βιομηχανικών εγκαταστάσεων

Abstract

In this research project they were made experiments of catalytic oxidation of volatile organic compounds and their mixtures using catalysts CuO/Al2O3 και Pt/Al2O3 (laboratorial and commercial).Particularly the volatile organic compounds : acetone, toluene ,ethyl benzene, o-xylene and m-xylene were oxidized by catalysts CuO/Al2O3 και Pt/Al2O3 in total flow 50 and 250 ml/min, concentration 900ppmV and oxygen flow 10%v/v .They were also made experiments in industrial organic solvent with total flow 50,100 and 250 ml/min, concentration 220 mgr C/m3 and oxygen flow 10%v/v. Also experiments of catalytic oxidation in binary mixtures of volatile organic compounds were made with concentrations 900-900 ppmV and 900- 45 ppmV in total flow 250 ml/min and oxygen flow 10% v/v. In addition to a kinetical mechanism was defined by the experimental data. In the laboratory were made catalysts CuO/Al2O3 with load of 7, 8, 12, 13, 14, 17, 19 and 22 % w/w, in particles of 212-315 μm and a 7% CuO/Al2O3 in particles of 90-212 μm with the method of impregnation. Also in the laboratory was made 0.4 % Pt/Al2O3 in particles of 212-315 μm. A CuO/Al2O3 ( 13% w/w, 400- 800 μm) and a Pt /Al2O3 KCE E603 (0.3% w/w, 400-800 μm) were obtained from Sigma Aldrich.Both catalysts were crashed to the size of 212-315 μm .All catalysts were characterized by x- ray detection analysis, x-ray fluorescence analysis, scanning electron analysis and nitrogen porosimetry. The characteristics of the catalysts 7% CuO/Al2O3 in particles of 90-212 μm and 7% CuO/Al2O3 in particles of 212-315 μm were compared and the results have shown that there is no deference among the catalysts. As for the other catalysts the x-ray fluorescence analysis has verified the values of loads. It was also discovered that the commercial catalyst CuO/Al2O3 is consisted except from alumina and copper oxide by various other oxide metals like: titanium oxide, cobalt oxide and manganese oxide. The data of x-ray detection analysis have shown that the increment of the load of copper oxide provokes peaks with greater intense. The commercial catalyst CuO/Al2O3 is not crystalline. The scanning electron analysis has shown that the growth of the crystals of copper oxide is favored in the superficially defects of the substrate. It seems that the growth of crystals from a value of copper oxide load and after creates aggregation. In the commercial catalyst CuO/Al2O3 the crystals of copper oxide have been placed only in the surface of the substrate. The data of porosimetry have shown that the growth of copper oxide load in alumina decreases the specific surface of the catalyst. In the platinum catalysts there is not any difference among them in the photographs of scanning electron analysis. The commercial catalyst of Pt/Al2O3 is crystalline and is also consisted from rhenium . In the first set of experiments, it was performed catalytic oxidation of toluene and acetone using catalysts 7% CuO/Al2O3 in particles of 90-212 μm and 212-315 μm ,in total flow 250ml/min ,900ppmV and flow oxygen 10% v/v , in order to specify if the size of catalyst affects the activity of the catalyst. The results have shown that there is no dependence.

_____ Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκαν πειράματα καταλυτικής οξείδωσης πτητικών οργανικών ενώσεων καθώς και μιγμάτων αυτών σε καταλύτες CuO/Al2O3 και Pt/Al2O3 από τους οποίους κάποιοι παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο και κάποιοι αγοράστηκαν (όλοι οι καταλύτες χαρακτηρίστηκαν ) Πιο συγκεκριμένα οι πτητικές οργανικές ενώσεις : ακετόνη , τολουόλιο , αίθυλοβενζόλιο , μ- ξυλένιο και ο - ξυλένιο οξειδώθηκαν σε καταλύτες CuO/Al2O3 και Pt/Al2O3 με ολική παροχή 50 και 250 ml/min , συγκέντρωση 900 ppmV και παροχή Ο2 10% v/v . Ακόμα έγιναν πειράματα οξείδωσης σε οργανικό βιομηχανικό διαλύτη με ολική παροχή 50, 100 και 250 ml/min , συγκέντρωση 220 mgr C/ m3 και παροχή Ο2 10% v/v . Τέλος πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε δυαδικά μίγματα πτητικών οργανικών ενώσεων με αναλογίες συγκεντρώσεων 900-900 ppm V καθώς και 900 - 50 ppm V σε ολική παροχή 250 ml/ min και παροχή Ο2 10 % v/v . Στην συνέχεια έγινε επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων έτσι ώστε να καθοριστεί ένα μηχανισμός κινητικής και να βρεθούν τα κινητικά δεδομένα. Αναλυτικότερα έγινε παρασκευή καταλυτών CuO/Al2O3 στα εξής φορτία 7, 8, 12, 13, 14, 17, 19 και 22 % κ.β. σε κοκκομετρία 212-315 μm και καταλύτης 7% CuO/Al2O3 κοκκομετρίας 90-212 μm με την μέθοδο του εμποτισμού Ακόμα φτιάχτηκε καταλύτης 0.4 % Pt/Al2O3 σε κοκκομετρία 212-315 μm .Επιπλέον αγοράστηκε εμπορικός καταλύτης CuO /Al2O3 από την Sigma - Aldrich ( 13% w/w , 400- 800 μm) και εμπορικός καταλύτης Pt/Al2O3 KCE E603 (0.3% w/w , 400-800 μm) οι οποίοι υπέστησαν θραύση έως κοκκομετρία 212-315 μm. Όλοι οι καταλύτες χαρακτηρίστηκαν με τις μεθόδους ανάλυσης περίθλαση ακτίνων Χ , φθορισμό ακτίνων Χ, ηλεκτρονική μικροσκοπία και πορωσιμετρία αζώτου. Από την σύγκριση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του καταλύτη 7% CuO/Al2O3 σε κοκκομετρίες 90-212 μm και 212 -315 μm προέκυψε ότι οι δύο καταλύτες δεν παρουσιάζουν διαφορές είτε προς την σύσταση είτε προς την δομή .Όσον αφορά τους υπόλοιπους καταλύτες CuO/Al2O3 η ανάλυση φθορισμού ακτίνων Χ επαλήθευσε τις τιμές των φορτίων οξειδίου του χαλκού . Επιπλέον βρέθηκε ότι ο εμπορικός καταλύτης CuO/Al2O3 εκτός από οξείδιο του χαλκού και αλούμινα περιέχει και οξείδια του νικελίου , τιτανίου , κοβαλτίου και μαγγανίου . Στην ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ παρατηρήθηκε ότι με την αύξηση της συγκέντρωσης των φορτίων του οξειδίου του χαλκού υπάρχει και αντίστοιχη αύξηση των εντάσεων των κορυφών . Ακόμα βρέθηκε ότι ο εμπορικός καταλύτης χαλκού δεν είναι ιδιαίτερα κρυσταλλικός . Βάσει των αποτελεσμάτων ανάλυσης ηλεκτρονικής μικροσκοπίας παρατηρήθηκε ότι η ανάπτυξη των κρυστάλλων του οξειδίου του χαλκού ευνοείται στις επιφανειακές ατέλειες του υποστρώματος. Ακόμα παρατηρήθηκε ότι η επιφανειακή ανάπτυξη των κρυστάλλων του οξειδίου του χαλκού από μία τιμή φορτίου CuO/Al2O3 και μετά αντικαθίσταται από την δημιουργία ογκωδέστερων συσσωματωμάτων .Όσον αφορά τον εμπορικό καταλύτη CuO/Al2O3 βρέθηκε ότι η εναπόθεση των κρυστάλλων CuO είναι επιφανειακή . Από τα δεδομένα της πορωσιμετρία αζώτου , συμπεραίνεται ότι με την αύξηση του φορτίου του οξειδίου του χαλκού στην αλούμινα μειώνεται η ειδική επιφάνεια του καταλύτη. Στους καταλύτες πλατίνας όσον αφορά την ανάλυση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας δεν παρατηρήθηκαν ιδιαίτερες διαφορές . Από τις αναλύσεις όμως περίθλασης και φθορισμού ακτίνων Χ προέκυψε ότι ο εμπορικός καταλύτης Pt/Al2O3 είναι ιδιαίτερα κρυσταλλικός και περιέχει εκτός από πλατίνα και ρήνιο .