INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICAE INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE:

INGENIERIA DE REACTORES I

OXIDACIÓN CATALITICA DEL TOLUENO EN MEZCLAS DE COBRE MANGANESO Y OXIDOS DE CERIO COMPATIBLES

CON γ-Al2O3

INTEGRANTES:GOMEZ CRUZ JULIETA

MENDOZA FLORES YESENIAMORALES ESPINOSA CESAR ARTURO

NARANJO JUAREZ ROSARIO

RESUMENLos catalizadores fueron sintetizados por el método de impregnación que se caracteriza respecto a su superficie física (método BET), composición de fase y tamaño de cristales (técnica RDX), reductibilidad (H2-TPR) y la desorción/adsorción del Tolueno (TPD seguido por TPO)

Los resultados obtenidos con una alimentación de 1000 ppm de Tolueno en el aire mostraron que el comportamiento de catalizadores de oxido mixtos puede mejorar mediante la selección apropiada del oxido de metal MxOy

La actividad intrínseca de catalizadores optimizados medida bajo diferentes condiciones de reacción se encontró que era mayor a sus contrapartes de un solo componente, esto es atribuido a la mejor dispersión de las fases activas MxOy.

Se concluye que la actividad de oxidación de los COV Al2O3 apoyado por catalizadores de óxidos mixtos es determinado por el potencial de reducción de las fases dispersas activas que se controla mediante la selección adecuada de MxOy, la carga y su composición.

Compuestos orgánicos volátiles (COV)

La formación de ozono fotoquímico, globalcalentamiento global y el agotamiento del

ozono estratosférico

GRANDES PROBLEMAS DEL MEDIO

AMBIENTE TALES COMO:

La oxidación catalítica que es probablemente el

método más eficaz para la eliminación destructiva de bajas concentracionesde compuestos orgánicos volátiles en

grandes volúmenes de aire

SE HA PROPUESTO PARA EL CONTROL DE LAS EMISIONES DE COV :

INTRODUCCION

PROFUNDOS

" la oxidación de compuestos orgánicos volátiles en corrientes de aire”

Dos grupos de materiales catalíticos que se emplean generalmente para "Profundos" :

El apoyo o no se admite catalizadores de metales nobles (fundamentalmente Pt y Pd).

De metales de transición basados en óxidos catalizadores. Catalizadores de metales nobles se caracterizan por una buena estabilidad y alta actividad en relativamente las bajas temperaturas.

Una variedad de formulaciones de metal catalizador de óxido han sido evaluadas para la oxidación de compuestos orgánicos volátiles de profundidad , incluyendo:

• CuOx • MnOx • CeOx • NIOx• CoOx • MoOx • ZrOx • Crox • Vox • FeOx • y sus mezclas binarias

La actividad de estos materiales para completar la oxidación de compuestos orgánicos volátiles se ha encontrado a depender de la naturaleza y la morfología de la ayuda y del tipo de VOC investigado estas dependencias se han explicado al considerar que diferentes activos sitios pueden estar involucrados en la oxidación de compuestos orgánicos volátiles diferentes y que la reacción puede verse afectada sensiblemente por la electrónica y geométrica efectos entre los componentes del catalizador. Por lo general, cree que la oxidación de los hidrocarburos se lleva a cabo a través de una redox mecanismo en el que la tasa de paso determinante es la extracción de oxígeno del óxido de metal .

EXPERIMENTAL Catalizador de la preparación y caracterización

Alúmina .- catalizadores soportados de óxido de metal de carga variabley la composición se prepararon por impregnación de la superficie de alta

  -Al2O3 en polvo en una solución acuosa que contienen cantidades conocidas de Cu (NO3) 2 bis · 3H2O, Mn (NO3) 2A · xH2O y / o Ce (NO3) 3 ° 6H2O, siguiendo un

procedimiento:

Se calcina durante:

Para

El soporte impregnado se calienta con agitación

continua a 70°C

Evaporar el agua

110 °C durante 24 horas

se seca a

2 horas a una temperatura de 450 °C.

Reducción a temperatura:

programada (TPR), desorción (TPD)y la oxidación (TPO).

Los experimentos se llevaron a cabo mediante un experimento típico TPD, una cantidad de catalizador (30 mg) en forma de polvo fue colocado en un micro reactor cuarzo y pre- oxidado a 300 ◦ C con una mezcla que fluye O2/He 3% durante 30 minutos. La muestra se calentó en El flujo a 500 ◦ C para 15 minutos para eliminar las especies adsorbidas en la superficie del catalizador, y posteriormente a temperatura ambiente. Conectado en línea para la salida del reactor. Se inició con una velocidad de calentamiento de = 30 ◦ C min-1 y los patrones de TPD de las especies de desorción se registraron con el uso de un espectrómetro.

A temperatura programada (TPD, TPO, TPR)

Discusión de Resultados Efectos de la carga MxOy y la composición de catalizador

Los resultados obtenidos durante los catalizadores de óxidos mixtos se resumen en la grafica 1, donde la conversión de tolueno (Xtol) obtenidomás de Al2O3- apoyado con Cu-Mn, Ce-Mn y Cu-Ce catalizadores de óxido de carga MxOy variable y composición se representa como una función de la temperatura de reacción conversión de tolueno, cuyas curvas obtenidas durante el seleccionado de catalizadores de óxidos que también se muestra, para la comparación en todos los casos, la selectividad de CO2 fue de 100%.

Los resultados de la figura. 1 muestran que la adecuada selecciónde carga y la composición de la mezcla catalizadores de óxido de metalcompatible con Al2O3 conduce a materiales con mejores catalizadoresrendimiento para la oxidación de tolueno.Los resultados óptimosobtenidos para 10CuO-60MnO (Fig. 1A), 30MnO-50CeO2 (Fig. 1B)y 15CuO-75CeO2 (Fig. 1C) catalizadores que son capaces de oxidar completamente toluenoa temperaturas de alrededor de 280 ◦ C.

Esta temperatura es significativamenteinferior al obtenido en nuestro estudio anterior sobre la forma óptimacatalizadores de óxido de carga única, es decir, un 40% MnO/Al2O3 (340 ◦ C), el 90%CeO2/Al2O3 (380 ◦ C) y el 5% CuO/Al2O3 (360 ◦ C), en las mismascondiciones experimentales

Características físico-químicas de Al2O3-catalizadores soportados de óxido de metal, y los resultados representativos de las mediciones cinéticas.

(a)una superficie específica, que se calcula con el método BET.(b) El tamaño de los cristalitos de la dispersión de las fases primaria MxOy estimado a partir de la línea de difracción de rayos X .(c) tasa de oxidación de tolueno de CO2 a 315 ◦ C.(d) energía de activación aparente de la reacción de oxidación del tolueno.(e) MxOy no detectó reflexiones por DRX.(f) tamaño de partícula no estimado (ne), debido a la baja intensidad de los picos de difracción de rayos X correspondiente.

La adición de CuO mejora significativamente la actividad catalítica, y la conversión el mejor desempeño de 15CuO-75CeO2 supera el 96% a 280°C .Es de interés señalar que el auto-apoyo 5CuO-95CeO2 catalizador, que no contenía ninguna Al2O3, mostró el peor desempeño entre este conjunto de catalizadores de óxido mixto. Esto significa el efecto beneficioso de la Al2O3 , que proporciona la alta superficie necesaria para la dispersión superficial de las catalíticamente fases activas de óxido.

Se observa que el patrón de difracción de rayos X de 10CuO (Fig. 2A) contiene sólo reflexiones características de la ayuda Al2O3, lo que indica que el cobre está presente como una fase de superficie bien dispersas

Las intensidades de los picos de este último aumento apreciable para la muestra 60MnO (Fig. 2A), lo que indica que el aumento de contenido de óxido de manganeso favorece la formación de Mn2O3. Esto se debe en acuerdo con estudios previos que demostraron que la relación entre MnO2 y Mn2O3 fases depende de la carga y MnOx dispersión

Actividad catalítica de catalizadores de óxidos mixtos optimizadosResultados cualitativamente similares se obtuvieron en los mixtos30MnO-50CeO2 catalizador (Fig. 3B),En cuanto al catalizador 15CuO-75CeO2, presenta una mayor actividad15CuO que en el intervalo de temperaturas investigados y es másactivo que 75CeO2 catalizador por encima de 280 ◦ C (Fig. 3C). Difracción de rayos X de el catalizador de óxido mixto muestra que la fase de óxido de cobre esta muy dispersa y el CeO2 existe en la forma de cristales muy pequeños (Tabla 1). Por lo tanto, la mayor actividad de los catalizadores de óxidos mixtos puede estar relacionado con el tamaño de los cristales más pequeños de la dispersión de fases de MxOy.

la reducción de los catalizadores CuOx/Al2O3 depende del grado de cristalinidad y de la partícula primaria, del tamaño de las fases de óxido de cobre que, a su vez, dependen de CuOx de carga y dispersión.

Resultados de los experimentos de DRX se mostró que el catalizador 60MnO contiene principalmente MnO2 en pequeñas cantidades de Mn2O3. Por lo tanto, el doblete observado en el H2-TPR espectro puede atribuirse a una reducción de dos pasos de MnO2 a través de Mn2O3/Mn3O4 a MnO.

Los resultados presentados indican que la actividad de los catalizadores de un solo-óxido y oxido- mixto para la oxidación total de tolueno puede estar correlacionado con el potencial de reducción de la dispersión de la especie MxOy, es decir, cuanto mayor sea el potencial de reducción del MxOy, mayor será la actividad del catalizador en la reacción del titulo.

La capacidad de adsorción del tolueno del catalizador oxido solo y mixto, y las características de desorción del tolueno se han investigado con el uso de la temperatura programada, técnica de desorción (TPD).

Las cantidades de especies detectadas en la fase gaseosa durante TPD y posteriores experimentos TPO están listados en la siguiente tabla.

La Desorción de tolueno va acompañada de cantidades relativamente pequeñas de CO2 (6.5_mol g-1), principalmente a temperaturas superiores a 600°C. La producción de CO2 se puede atribuir a la oxidación de los depósitos de carbono a la izquierda de Al2O3 en la superficie durante TPD.

la actividad de los catalizadores de óxido mixto para la oxidación de tolueno pueden ser relacionados a la mayor reactividad del oxígeno arraigado de las fases de MxOy o, equivalente, a su potencial de reducción más alto, que también se manifiesta en los resultados de la TPR

Una ventaja de los catalizadores de óxido mixto es su capacidad para mantener relativamente libre de carbono superficiesbajo condiciones de reacción, que es un requisito previo selectivo, para la oxidación de compuestos orgánicos volátiles a temperaturas de reacción bajas.

Efectos de la presencia de propano o de vapor en el rendimiento catalítico

CONCLUSIONESLa actividad catalítica para la oxidación de tolueno de una serie de mezclas binarias de cobre, óxidos de manganeso y de cerio compatible con una gran superficie de área Al2O3 se ha investigado en comparación a la de los materiales de un solo componente y se correlacionó con las características físico-químicas de los óxidos metálicos en fases dispersas (MxOy) . Los resultados muestran que la selección adecuada de la carga y composición de los catalizadores de óxido mixto puede dar lugar a materiales con un mejoramiento significativo en el comportamiento catalítico, en comparación con la de óxidos simples. Los resultados óptimos se han obtenido para los catalizadores 10CuO-60MnO,30MnO-50CeO2 y 15CuO-75CeO2 que, bajo las presentes condiciones experimentales, es capaz de oxidar por completo al tolueno a una temperatura de alrededor de 280 ⁰C, es decir, considerablemente más bajo que los correspondientes a los catalizadores de óxido de un solo componente. 

Los resultados de la caracterización de catalizadores revelan que la mejora en el rendimiento de los catalizadores de óxidos mixtos no se debe a la formación de soluciones sólidas o nuevas fases de mezcla de óxidos, es debido a la fácil difusión de una especie MxOy sobre el otro. Esto previene la formación dede los cristales de MxOy grandes y los resultados en los materiales con mayor superficie activa, que se caracteriza por la presencia de una gran dispersión de fases de óxido con una disminución de la cristalinidad y / o un cristalito de medio tamaño.

La actividad de los catalizadores de óxidos mixtos para la oxidación de tolueno generalmente inhibida en presencia de propano o de agua en la alimentación, posiblemente la mayoría debido a la competencia de los sitios activos mismos. El alcance de esta inhibición depende de la naturaleza de la dispersión de óxidos metálicos. En particular, el catalizador 10CuO-60MnO es la muestra mas activa para la oxidación de la mezcla de propano tolueno, mientras que el catalizador 30MnO-50CeO2 no se ve afectado, en la práctica, por la presenciade hasta un 5% H2O en la alimentación.

En general, los resultados del presente estudio demuestran que la mezcla decatalizadores de óxido dispersas sobre un soporte de gran superficie, como  -Al2O3, se puede utilizar para la combustión de compuestos orgánicos volátiles en el aire relativamente a bajas temperaturas. La actividad de estos materiales está determinada por su potencial de reducción, que puede ser controlada mediante la selección apropiada de MxOy, la naturaleza, la carga y la composición.

TECNICAS DE CARACTERIZACION

Nombre de la técnica: TPD

Para que determinaciones y en que materiales puede emplearse:En un experimento típico TPD, una cantidad de catalizador en forma de polvo fue colocado en un micro reactor . Los patrones de TPD de las especies de desorción se registraron con el uso de un espectrómetro amasar (Omnistar, Pfeiffer Vacuum) conectado en línea a la salida del reactor.

Otra técnica que proporcione la misma información:A temperatura programada (TPD, TPO, TPR), Reducción a temperatura programada (TPR), desorción (TPD) y la oxidación (TPO).