Catalizadores de MnOx soportados sobre monolitos honeycomb obtenibles de materias primas de bajo costo para la oxidación total de compuestos orgánicos volátiles

Abstract

La contaminación atmosférica es una problemática real que ha acaparado la atención a nivel mundial desde hace décadas. Las naciones que están a la vanguardia de la investigación y el desarrollo industrial promueven encuentros para generar políticas ambientales de control de emisiones de contaminantes de origen antropogénico, particularmente de compuestos orgánicos volátiles (COVs). Estas políticas ambientales tienen un fuerte impacto en la pequeña industria, en la cual el pasaje a tecnologías más limpias implica una gran inversión económica. La aplicación de un proceso catalítico que oxide completamente a los COVs a un bajo costo energético es una solución atractiva para implementar en la pequeña industria. El diseño de catalizadores efectivos aplicados a este proceso es por tanto un desafío. Los catalizadores monolíticos tipo honeycomb presentan un diseño que favorece al buen contacto entre las especies activas y los contaminantes, es por esto por lo que han sido aplicados en variadas reacciones. En esta tesis se planteó la preparación, caracterización y evaluación catalítica de catalizadores monolíticos honeycomb para ser aplicados en la oxidación de COVs a partir de tres materias primas de bajo costo económico e incorporándole MnOx como fase activa. Así mismo, se evaluó el efecto de la presencia de un recubrimiento sobre el soporte monolítico en la reactividad del catalizador. Las materias primas usadas fueron una arcilla natural uruguaya (AN), una arcilla comercial de origen español (AC) y un residuo, este último originado por el recambio de los catalizadores de tres vías (TWC) gastados de los automóviles. En una primera instancia se evaluó la viabilidad de la preparación de los soportes monolíticos a partir de las tres materias primas, como así también la de los monolitos recubiertos y al propio recubrimiento, este último preparado a partir del proceso de pilareado de la arcilla natural.En una segunda instancia se evaluó la incorporación de óxido de manganeso (MnOx) por impregnación a los soportes con y sin recubrimiento. Se prepararon, caracterizaron y evaluaron catalíticamente tanto a los soportes como a los catalizadores monolíticos. A partir de las arcillas en polvo fue posible preparar monolitos honeycomb mediante el proceso de extrusión. Estos soportes fueron estables mecánicamente y se les pudo aplicar los procesos de recubrimiento con la arcilla natural modificada e incorporación de MnOx. Para la preparación de los soportes a base de arcilla natural fue necesario la incorporación de aditivos (10% glicerina y 1.6% de fosfato de aluminio). En cambio, los monolitos a partir de la arcilla comercial solo requirieron agua para poder ser extruidos. La arcilla natural presentó propiedades adecuadas para el proceso de pilareado, con el cual se recubrieron parte de los monolitos. El recubrimiento fue mediante el proceso de washcoating. Se evidenció la buena interacción soporte-recubrimiento. En el caso de la arcilla comercial se logró un recubrimiento uniforme, este permitió adquirir un porcentaje mayor de carga en comparación a los monolitos sin recubrir cuando fue aplicado un ciclo de impregnación de MnOx. Los monolitos provenientes del TWC agotado, que ya cuenta con una estructura honeycomb, fueron sometidos a un proceso de reciclado previo a la incorporación de MnOx. El recubrimiento presente en los monolitos de TWC originales se mantuvo luego del proceso de reciclado, no siendo este homogéneo en sentido longitudinal. Se identificaron las variables a tener en cuenta en la selección de las porciones a utilizar del monolito de TWC. Una vez reciclados estas secciones, se prepararon, caracterizaron y evaluaron catalíticamente dos catalizadores con uno y dos ciclos de impregnación de MnOx. Para todos los catalizadores preparados se observó una interacción entre los soportes y el MnOx, originando diferentes fases.Es así como se encontraron las siguientes fases cristalinas de MnO2, Mn2O3 y Mn3O4, esta última sobre el soporte del residuo de TWC reciclado con dos ciclos de impregnación. Así mismo, la presencia del recubrimiento generó una mejor dispersión del MnOx sobre la superficie del soporte, esto evidenciado en la comparación entre los catalizadores a base de arcilla con y sin recubrimiento. Los soportes preparados resultaron ser activos en la oxidación de las moléculas acetona y propano. Esta reactividad aumentó cuando fue depositado el MnOx. En las condiciones directas de medición de conversión en función de la temperatura los catalizadores más efectivos, preparados a partir de cada materia prima, fueron los recubiertos con arcilla pilareada con T80 (temperatura para un 80% de conversión de COV) para acetona de 334 °C (soporte de AN), 280 °C (soporte de AC), mientras que la T80 para el catalizador monolítico a partir del residuo de TWC reciclado fue de 240 °C, este con dos ciclos de incorporación de MnOx. Para propano las máximas conversiones alcanzadas por los catalizadores a 450 °C fueron 34% (soporte de AN), 60% (soporte de AC) y 85% (soporte de residuo de TWC reciclado), los dos últimos al doble del porcentaje de propano en la mezcla gaseosa reactiva. Al normalizar la conversión de acetona por la geometría del catalizador se determinó que el más reactivo fue el catalizador recubierto preparado con arcilla comercial y un ciclo de impregnación. Dada la complejidad de la muestra en el catalizador monolítico preparado a partir del residuo de TWC reciclado no fue posible normalizar la conversión en función de la masa de MnOx incorporada. A altas conversiones todos los catalizadores lograron selectividades hacia CO2 y H2O mayores al 90%.El estudio llevado a cabo en esta tesis demostró el potencial del uso de materias primas de bajo costo como son las arcillas y el residuo de TWC para la fabricación de catalizadores monolíticos activos en la oxidación de compuestos orgánicos volátiles.