Chabazita natural como trampa pasiva de NO para el control de emisiones durante el encendido en frío de motores Diesel - López Curiel, Julio César (Universidad Autónoma Metropolitana, 2021)
En este proyecto se mostró que la chabazita natural es excelente material para utilizarlo como trampa pasiva de NOx (TPN) para el control de emisiones de NO durante el encendido en frío de los motores Diesel. La chabazita natural es una mezcla de tres estructuras: chabazita, clinoptilolita y erionita, además contiene varios óxidos metálicos: Na2O, CaO, MgO, K2O y Fe2O3. Para determinar la adsorción de NO en la chabazita (previamente calcinada a 500 °C) se realizaron pruebas de adsorción a 25 °C durante una hora con y sin presencia de O2 en los gases de alimentación. Los resultados durante una hora de adsorción revelaron que la interacción con O2 aumenta 5 veces la cantidad adsorbida en la chabazita, después de una hora de prueba en presencia de O2 se adsorbieron 1080 ± 54 µmoles de NO/g, comparadas con 200 ± 10 µmoles de NO/g en ausencia de O2, a las mismas condciones. Se realizaron pruebas a 50 y 100 °C y se observó el mismo efecto, la cantidad adsorbida de NO aumentó 11 y 7 veces, respectivamente. Para determinar la temperatura a la cual se desorben los NOx se realizó la termodesorción de NOx a 700 °C. Se observó la desorción de NO, NO2 y N2O en todas las pruebas. Tanto NO como NO2 desorben en dos intervalos de temperatura. A baja temperatura el máximo en desorción varía con la temperatura de adsorción (25, 50 y 100 °C). La desorción máxima de NO ocurre entre 100 y 180 °C y la de NO2 entre 125 y 260 °C. Estas temperaturas son adecuadas para aplicaciones en que se reduce el NO. La desorción de NO y NO2 fue similar a alta temperatura (300-700 °C). Estas temperaturas están fuera del intervalo requerido, pero las especies responsables no varían durante la reutilización del material. desorción de NOx hasta 500 °C. Se encontró que después de la primera prueba de adsorción NO, solo se se desorbe el 65 % de los 2000 ± 100 µmoles de NO/g inicialmente adsorbidos. Durante el segundo y tercer ciclo la desorción es superior al 90 % de los 1300 ± 65 µmoles de NO/g adsorbidos en los materiales reutilizados. Esto indica que, para aplicaciones prácticas este último valor corresponde a la capacidad de adsorción de diseño. Durante la desorción los NOx son emitidos de manera prácticamente total en el intervalo de temperatura adecuado para su reducción en el catalizador de reducción selectiva empleado. La concentración de N2O a la salida de la trampa durante la desorción fue menor a 5 ppm en todas las pruebas, lo que elimina posibles problemas ambientales. Para entender el mecanismo de adsorción desorción de NO en la trampa se llevaron a cabo análisis espectroscópicos ex situ e in situ durante el pretratamiento, la adsorción y desorción de NOx. Los resultados UV-Vis in situ durante el pretratamiento en ambiente oxidante sugieren que se forman especies, probablemente Fe3+ (Fe2O3) en coordinación octaédrica. Las especies Fe+3 oxidan al NO durante la prueba sin O2 y aceleran la oxidación de NO en presencia de O2. Después ocurre una reacción de desproporción del NO2 formando el ion nitronio, el nitrato y/o nitrito, que a su vez reaccionan con los diferentes óxidos metálicos formando nitritos y nitratos de Na, K, Mg, Ca y Fe superficiales. Los nitratos y nitritos se detectaron en dos bandas, en 1420 y 1380 cm-1 , durante el análisis FTIR in situ. La adsorción de NO en la chabazita natural es resultado de la contribución de los óxidos metálicos presentes. Durante la termodesorción de NOx se descomponen las especies nitrato y nitrito, y las bandas disminuyen su intensidad, sin embargo, a 260 °C se detectaron dos bandas en 1480 y 1320 cm-1 no observadas durante la adsorción de NO. La descomposición de estas especies al continuar aumentando la temperatura es responsable de la desorción de NOx en la región de alta temperatura. Los datos de adsorción de NO a 25, 50 y 100 °C se ajustaron a 3 modelos cinéticos: pseudo primer orden, pseudo segundo orden y Elovich. Los 3 modelos ajustan adecuadamente los datos de adsorción de NO (R 2 > 0.99 en todos los casos). Empleando los valores de las constantes de los modelos de pseudo primer y segundo orden se calcularon las energías de activación de la adsorción, los valores obtenidos fueron 13 ± 0.65 kJ/mol y 27 ± 1.35 kJ/mol, respectivamente. También se realizó el ajuste de los datos experimentales obtenidos durante la desorción de NO y NO2 utilizando el modelo de Polanyi-Wigner. Se calculó el valor de la energía de desorción de NO (67 ± 3.3 kJ/mol a 25 °C, 40 ± 2 kJ/mol a 50 °C y 145 ± 7 2 kJ/mol a 50 °C ) y para el NO2 (45-215 kJ/mol). después de las pruebas a 25, 50 y 100 °C Al comparar la adsorción de NO en la chabazita natural con la obtenida usando Pd/SSZ-13 bajo condiciones similares encontramos que la cantidad de NO adsorbido en la chabazita natural es 4.5 veces mayor. Por otro lado, la desorción de NOx ocurre en la temperatura requerida (150-350 °C) para una TPN. Con base en todos los resultados obtenidos la chabazita tiene un alto potencial para el uso práctico como trampa pasiva de NO para el control de emisiones de NO durante el encendido en frío de motores Diesel.