ES2290002T3 - Procedimiento para la adsorcion y desorcion de oxidos de nitrogeno en gases de escape. - Google Patents

Procedimiento para la adsorcion y desorcion de oxidos de nitrogeno en gases de escape. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la adsorción y la desorción de los óxidos de nitrógeno en los gases de escape, en particular de motores de combustión interna de vehículos automóviles, en presencia de un material que tiene una estructura laminar y que comprende tetraedros de fosfato, al menos un elemento (A) seleccionado entre los elementos de los grupos IVB, VB, VIV e IVA de la clasificación periódica de los elementos y al menos un elemento (B) seleccionado en el grupo constituido por los elementos alcalinos, alcalino-térreos, las tierras raras, los metales de transición, los elementos de los grupos IIIA, IVA de la clasificación periódica de los elementos, estando integrado dicho elemento A en los sitios octaédricos dispuestos por la estructura fosfatada que constituye las láminas y estando situado dicho elemento B en el espacio inter-laminar de dicho material laminar.

Description

Procedimiento para la adsorción y desorción de óxidos de nitrógeno en gases de escape.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un procedimiento con materiales que favorecen la eliminación por absorción de óxidos de nitrógeno (NO y NO_{2}, llamados habitualmente NO_{x}) presentes en una mezcla gaseosa que puede ser sobre-estequiométrica en compuestos oxidantes y más particularmente en oxígeno, no estando contaminados dichos materiales por productos azufrados encontrados en estos gases. La invención se aplica a la eliminación de óxidos de nitrógeno (NO_{x}) presentes en los gases de escape de motores de vehículos automóviles y muy particularmente de vehículos que funcionan con Diesel.
Estado de la técnica anterior
La fuerte toxicidad de los óxidos de nitrógeno, su papel en la formación de lluvias ácidas y de ozono troposférico han conducido a la aplicación de normas severas que limitan los rechazos de estos compuestos. Para cumplir estas normas, es necesario generalmente eliminar al menos una parte de estos óxidos presentes en los gases de escape de los motores de automóviles o estacionarios y de las turbinas.
La eliminación de los óxidos de nitrógeno por descomposición térmica o con preferencia catalítica es aconsejable, pero las altas temperaturas exigidas por esta reacción son incompatibles con las de los gases de escape. Solamente la reducción catalítica de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno es realizable utilizando los reductores presentes, pero en baja cantidad, en el gas de escape (CO, H_{2}, hidrocarburos no quemados o cuya combustión ha sido imperfecta en el motor) y de la misma manera inyectando, aguas arriba del catalizador, un complemento de compuestos reductores. Estos agentes de reducción son hidrocarburos, alcoholes, éteres u otros compuestos oxigenados; pueden ser igualmente el carburante líquido o gaseoso (bajo presión "GNC" o licuado "GPL") que alimentan el motor o la turbina.
La solicitud de patente EP 0 540 280 A1 describe un dispositivo para reducir la emisión de los óxidos de nitrógeno en los gases de escape de motores de combustión interna, que comprende un material para la adsorción y la desorción de los óxidos de nitrógeno. Según este procedimiento, los óxidos de nitrógeno son acumulados, en el curso del funcionamiento en régimen pobre del motor, es decir, pobre en hidrocarburos, bajo la forma de nitratos. Pero la capacidad de almacenamiento de un colector que funciona de acuerdo con este principio se deteriora generalmente por la adsorción de productos azufrados, contenidos en los gases de escape y que forman sulfatos más estables que los nitratos, contaminando el colector.
Por otra parte, a continuación de la acumulación de los NOx, es necesario proceder a una etapa de desorción de los óxidos de nitrógeno seguida de su reducción. Se conocen dispositivos de tratamiento por oxidación catalizada del monóxido de carbono CO y de los hidrocarburos HC contenidos en los gases de escape, recurriendo, por ejemplo, a catalizadores de reducción de los óxidos de nitrógeno, llamados catalizadores de NOx, que son activos para realizar la reducción de los NOx en los intervalos de temperatura comprendidos entre 200 y 350ºC, que comprenden, por ejemplo, metales preciosos sobre soportes de óxido, tales como platino o paladio depositado sobre un soporte de alúmina, de óxido de titanio o de zirconio, o por perovsquitas o en intervalos de temperatura comprendidos entre 350 y 600ºC que comprenden, por ejemplo, zeolitas hidrotérmicamente estables (por ejemplo, Cu-ZSM5). Un dispositivo de tratamiento de los gases de escape de un motor de encendido por compresión que comprende un catalizador y un dispositivo de absorción de óxidos de nitrógeno colocados en el colector de escape se describe, por ejemplo, en las patentes EP 0 540 280 A1 y EP 0 718 478 A1.
Por lo tanto, es necesario que el material que se comporta como un colector para los óxidos de nitrógeno sea capaz de adsorbe los óxidos de nitrógeno a bajas temperaturas, hasta la temperatura necesaria para el funcionamiento del catalizador de reducción de los NOx, asegurando el colector entonces la desorción de los óxidos de nitrógeno que entran en contacto con el catalizador DeNOx a una temperatura suficiente para asegurar el inicio de la reacción de la reducción de los NOx.
Se han descrito óxidos que presentan una estructura cristalográfica que genera canales de tamaño suficiente para acumular óxidos de nitrógeno (patente JP09075715A). Los sólidos utilizados en esta patente japonesa son óxidos que contienen mezclas Al y Sn o Zn y Sn y que presentan la estructura cristalográfica de la holandita.
En la patente FR2733924, es también estado de la técnica un material de fórmula YBa_{2}Cu_{3}O_{7-x} que permite integrar los óxidos de nitrógeno en el óxido mixto que compone el material. Esta patente indica que el material, después de haber sido cargado de óxidos de nitrógeno, se transforma pasando de una estructura orto-rómbica rica en oxígeno a una estructura tetragonal pobre en oxígeno cuando en contenido de oxígeno del gas disminuye, y que esta transición de fase provoca la desorción de los óxidos de nitrógeno. Según este procedimiento, entonces es posible influir sobre la adsorción y la desorción de los óxidos de nitrógeno haciendo variar los contenidos en oxígeno de los gases de escape. Recientemente se ha mostrado (K-Y, Lee, K. Watanabe, M. Misono, Applied Catálisis B 13, 241 (1977)) que la adsorción de NO en presencia de oxígeno sobre este material YBa_{2}Cu_{3}O_{7-x} conduce, de hecho, a la formación de especies de nitratos de bario (Ba(NO_{3})_{2}). Este mismo estudio muestra también que este material pierde de manera drástica sus propiedades de adsorción de los óxidos de nitrógeno en presencia de dióxido de carbono por formación de carbonatos de bario. Las especies de sulfatos de bario son más estables que las especies de nitratos, por lo que se cree que un compuesto del tipo YBa_{2}Cu_{3}O_{7-x} se contamina también en presencia de dióxido de azufre formando especies de sulfatos sobre los sitios de adsorción de los óxidos de nitrógeno.
Las publicaciones [A. Clearfield y J. Stynes, J. Inorg. Nucl. Chem., 26 (1964) 117], [G. Alberti y E. Torraca, J. Inorg. Bycl. Chem., 30 (1968) 317] describen materiales, cuya estructura está compuesta de tetraedros de fosfato y que contienen un elemento de grado de oxidación +4.
La solicitud de patente EP-A-0 202 710 describe igualmente un fosfato de zirconio de estructura laminar, la cual ha sido modificada por un tratamiento del fosfato de zirconio del tipo a, principalmente con la ayuda de una substancia orgánica aminada.
Se conoce igualmente a partir de la solicitud de patente JP 06191810 un catalizador para la descomposición por reducción de los óxidos de nitrógeno, comprendiendo dicho catalizador una fase cristalizada específica a base de fósforo, de zirconio o de cobre. La preparación de dicho catalizador prevé la mezcla de un precursor de cobre y de un precursor de zirconio, luego la introducción de una fuente de fósforo.
Resumen de la invención
La invención se refiere a un procedimiento para la adsorción y la desorción de los óxidos de nitrógeno NO y NO_{2}, en particular presentes en los gases de escape, por ejemplo de motores de combustión interna de vehículos automóviles que funcionan en medio sobre-estequiométrico de oxidantes, estando realizado dicho procedimiento en presencia de materiales que pueden desorber los NOx por elevación de la temperatura. Los materiales tienen una estructura laminar y comprende tetraedros de fosfato y al menos un elemento A seleccionado entre los elementos de los grupos IVB, VB, VIV e IVA de la clasificación periódica de los elementos y al menos un elemento (B) seleccionado en el grupo constituido por los elementos alcalinos, alcalino-térreos, las tierras raras, los metales de transición, los elementos de los grupos IIIA, IVA de la clasificación periódica de los elementos, estando integrado dicho elemento A en los sitios octaédricos dispuestos por la estructura fosfatada que constituye las láminas y estando situado dicho elemento B en el espacio inter-laminar de dicho material laminar.
Interés de la invención
El material de adsorción y de desorción según la invención permite acumular los óxidos de nitrógeno a bajas temperaturas y desorberlos a la temperatura a la que un catalizador de NO_{x} es capaz de reducirlos. Estos materiales son insensibles a los óxidos de azufre y de carbono contenidos en los gases de escape, lo que evita la contaminación de dichos materiales. Los materiales realizan la adsorción de los óxidos de nitrógeno en un gama amplia de temperatura, mientras que la desorción se efectúa en una ventana de temperatura tres estrecha, que permite una gestión fácil de la regeneración térmica. Durante la desorción, los óxidos de nitrógeno previamente adsorbidos son emitidos por ráfagas de fuerte concentración en NO_{x}, lo que es beneficioso para la cinética de reacción de reducción de los óxidos de nitrógeno desorbidos. La cinética de reducción de los NO_{x} por hidrocarburos es, en efecto, de orden positivo con relación a las especies de óxidos de nitrógeno. Dicho material no presenta ninguna fase de óxido básico que estabilice fuertemente los óxidos y los óxidos de azufre, respectivamente, en formas de nitratos y de sulfatos. Los SO_{x} que pueden ser insertados con los NO_{x} en la estructura del material que constituye el objeto de la invención son desorbidos en una gama de temperatura similar a la de los NO_{x}. El impedimento de la formación de sulfatos estables asegura una contaminación menor del material adsorbente, una frecuencia de regeneración y una temperatura de regeneración menos elevadas y, por lo tanto, una duración de la vida útil incrementada del colector de NO_{x}.
Exposición de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para la adsorción y la desorción de óxidos de nitrógeno realizado en presencia de un material, cuya estructura está compuesta por tetraedros de fosfato y que contienen al menos un elemento(A) seleccionado entre los elementos de los grupos IVB, VB, VIB, VIIB e IVA de la clasificación periódica de los elementos. Con preferencia, este elemento (A) está en el grado de oxidación +4. El fosfato presenta una estructura laminar, en la que los NO_{x} pueden insertarse a bajas temperaturas y salir a temperatura más alta.
La fase adsorbente según la invención tiene una estructura laminar, está compuesta por tetraedros de fosfatos y comprende:
-
al menos un elemento (A) seleccionado entre grupo constituido por los elementos de los grupos IVB, VB, VIB, VIIB, IVA de la clasificación periódica de los elementos,
-
eventualmente al menos un elemento (B) seleccionado en el grupo constituido por los elementos alcalinos IA, alcalino-térreos IIA, tierras raras IIIB, o metales de transición de la clasificación periódica de los elementos,
-
eventualmente al menos un metal (C) seleccionado en el grupo de los metales preciosos de la familia del platino (grupo VIII).
Con preferencia, el material según la invención contiene al menos un elemento (B) y con preferencia al menos un elemento (C).
Los elementos (A) que pertenecen a los grupos IVB, VB, VIB, VIIB, IVA están con preferencia en el grado de oxidación +4 y están integrados en los sitios octaédricos dispuestos por la estructura fosfatada que constituye las láminas. Los elementos (A) están seleccionados con preferencia entre el zirconio, el titanio, el germanio, el estaño o la mezcla de al menos dos de estos elementos. Con preferencia, se selecciona el zirconio o el titanio.
Los elementos (B) pertenecen al grupo de los elementos alcalinos IA, alcalino-térreos IIA, tierras raras IIIB, o metales de transición. Se sitúan en el espacio interlaminar del material laminar y sirven para compensar al menos en parte la carga negativa generada por la estructura fosfatada. Con preferencia, se selecciona un metal alcalino, por ejemplo el potasio o el cesio.
Los elementos (C) pertenecen al grupo formado por el platino, el paladio, el rodio, el rutenio, el iridio, y el osmio, con preferencia se selecciona el platino. Esta aplicación de la invención, que comprende al menos un elemento (C) seleccionado entre los metales nobles del grupo VIII, permite oxidar NO en NO_{2}. Ahora bien, la estructura de los materiales utilizados en el procedimiento de la presente invención es todavía más eficaz para la inserción de la molécula de dióxido de nitrógeno (NO_{2}) que para la de monóxido de nitrógeno (NO). De esta manera, la presencia de un elemento (C) permite, por lo tanto, tener un efecto beneficioso sobre la capacidad de adsorción de las moléculas de óxidos de nitrógeno contenidas en los gases de escape.
La fase adsorbente utilizada según la invención tiene la composición másica, expresada en porcentaje de masa con relación a la masa total de esta fase activa calcinada a 1000ºC durante 4 horas, siguiente:
-
20 a 80% de fosfato, con preferencia de 30 a 70% y de manera todavía más preferida de 30 a 60%, expresado en PO_{4},
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5 a 40%, con preferencia de 10 a 30% de al menos un elemento (A) que pertenece a los grupos IVB, VB, VIB, VIIB, IVA de la clasificación periódica de los elementos,
-
eventualmente de 1 a 55%, con preferencia de 10 a 55% de al menos un elemento (B), que pertenece al grupo de los elementos alcalinos, alcalino-térreos, tierras raras, o metales de transición de la clasificación periódica de los elementos,
-
eventualmente de 0,05 a 5% de al menos un metal (C) que pertenece a grupo de los metales preciosos de la familia del platino.
Las fases adsorbentes se pueden presentar en forma de polvo, de bolas, de pastillas, de extrudados, pueden estar igualmente depositadas o preparadas directamente sobre soportes monolíticos de cerámica o de metal. Ventajosamente, con vistas a aumentar la superficie específica de los materiales y, por lo tanto, de aumentar su capacidad de adsorber los NO_{x}, los materiales pueden ser depositados sobre soportes porosos de superficie específica grande, tales como sílice o alúmina (SiO_{2}, Al_{2}O_{3}, TiO_{2}, ZrO_{2}, SiC, MgO) antes de ser moldeados (extrusión, enducción).
El procedimiento de preparación del material de la invención comprende las etapas siguientes:
(a)
Se mezcla una solución acuosa de una sal del elemento (A) con ácido fosfórico concentrado, o se descomponen lentamente fluorocomplejos del elemento (A) en presencia de ácido fosfórico concentrado, se calientan a reflujo para cristalizar el complejo.
(b)
Se lava y se seca para obtener un compuesto ácido que es laminar.
(c)
Se introduce eventualmente el elemento (B) poniendo en solución el compuesto de la etapa (b) en una solución de una sal del elemento (B), para intercambiar al menos en parte los protones del material sintetizado por cationes de al menos un elemento (B) e introducir así el elemento (B) en el estado catiónico en la estructura laminar del compuesto.
(d)
Se seca y se calcina al menos a 400ºC, permaneciendo el elemento (B) en el estado catiónico.
(e)
Se añade eventualmente al menos un metal (C) según una de las etapas siguientes:
-
por impregnación del compuesto de la etapa (d) por una solución de una sal precursora de al menos un elemento seguido de una calcinación, o
-
por intercambio de los protones del compuesto de la etapa (b), previamente al intercambio por un catión de un elemento (B), con un catión de al menos un elemento (C), seguido de una calcinación para formar pequeños agregados de metales preciosos a la superficie del compuesto y regenerar los protones; el compuesto puede ser sometido entonces a un nuevo intercambio catiónico de los protones por un catión de al menos un elemento (B),
-
por mezcla íntima y mecánica del compuesto de la etapa (b) o (c) con un polvo compuesto de un soporte, sobre el que está depositado al menos un elemento (C).
(f)
Se forman eventualmente elementos básicos en la estructura laminar según una de las etapas siguientes:
-
se insertan directamente uno o varios complejos metálicos de elementos que pertenecen a los grupos 13, 14 (IIIA, IVA) o metales de transición en las láminas por calentamiento prolongado en medio ácido, o se intercala moléculas orgánicas polares (alquil-aminas, alcoholes, ácidos aminados) que son intercambiados a continuación por el o los complejos metálicos,
-
se calcinan las especies metálicas insertadas con el fin de formar fases de óxidos estables térmicamente. Los elementos básicos formados son clústeres de óxido del o de los metales introducidos, o sea agregados compuestos de soluciones sólidas de los óxidos de los metales introducidos.
(g)
Eventualmente se deposita el compuesto o se sintetiza directamente el compuesto sobre un soporte de superficie específica grande, generalmente un óxido inorgánico refractario.
El procedimiento de preparación de los materiales utilizados en el procedimiento según la invención comprende con preferencia la etapa (f) y comprende con preferencia la etapa (g).
La etapa (f) se realiza con el fin de aumentar la superficie específica del material que está comprendida entonces entre 30 y 500 m^{2}g^{-1}, con preferencia entre 100 y 500 m^{2}g^{-1}, de manera todavía más preferida entre 150 y 300 m^{2}g^{-1}. De manera preferida, la etapa (f) se realiza después de la etapa (b) y antes de la etapa (c). La masa de los elementos básicos óxidos puede representar hasta 80% de la masa seca total del material adsorbente.
El óxido inorgánico refractario de la etapa (g) está seleccionado generalmente entre el grupo constituido por los compuestos siguientes: la alúmina (alfa, beta, delta, gamma, khi, o la alúmina teta), las sílices, las sílice-alúminas, las zeolitas, el óxido de titanio, el óxido de zirconio, los carburos divididos, por ejemplo los carburos de silicio, simples o mixtos. Se pueden añadir óxidos mixtos o soluciones sólidas que comprenden al menos dos de los óxidos citados anteriormente.
No obstante, para la utilización sobre vehículo, con frecuencia es preferible emplear soportes rígidos (monolitos) que presentan una porosidad abierta importante (superior a 70%) con el fin de limitar las pérdidas de carga que podrían generar fuertes caudales de gas, y sobre todo las grandes velocidades espaciales de los gases de escape. En efecto, estas pérdidas de carga penalizan el buen funcionamiento del motor y contribuyen a reducir el rendimiento de un motor de combustión interna (gasolina o Diesel). Por otra parte, la línea de escape está sometida a vibraciones así como a choques mecánicos y térmicos importantes, por lo que los catalizadores de bolas, de pastillas o de extrudados corren el riesgo de experimentar deterioros ya sea por atrición ya sea por fracturación.
Se emplean dos técnicas para preparar los catalizadores de la invención sobre soportes (o substratos) monolíticos de cerámica o de metal.
El primero comprende el depósito directo sobre el soporte monolítico, por la técnica de enducción conocida por el técnico en la materia, de la fase adsorbente preparada según el modo de operación descrito anteriormente (etapas unitarias (a), (b), (d), eventualmente (c), (e), (f) y (g). La fase adsorbente puede ser también aplicada después del final de la etapa (c) y de la etapa (d) de calcinación efectuada sobre la fase depositada en el mismo monolito.
La segunda técnica comprende, en primer lugar, el depósito del óxido inorgánico sobre el soporte monolítico, después la calcinación del monolito entre 500 y 1100ºC de tal manera que la superficie específica de este óxido está comprendida entre 20 y 150 m^{2}g^{-1}, luego la enducción del substrato monolítico recubierto por el óxido inorgánico con la fase adsorbente obtenida después de las etapas unitarias b), (c), (d), (e) o (f) descritas anteriormente. Las etapas (d) y (e) pueden ser realizadas directamente sobre el monolito después de la enducción del gel obtenido en (c) sobre el substrato monolítico recubierto por el óxido refractario. De manera preferida, la etapa (f) se efectúan antes que la etapa de enducción.
Los soportes monolíticos que se pueden emplear son los siguientes:
-
o bien de cerámica, cuyos elementos principales pueden ser la alúmina, la zircona, la cordierita, la mulita, la sílice, los alumino-silicatos o la combinación de varios de estos compuestos,
-
o bien de carburo y/o nitruro de silicio,
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o bien de titanato de aluminio,
-
o bien de metales generalmente obtenidos a partir de la aleación de hierro, cromo y aluminio bonificados eventualmente por níquel, cobalto, cerio o itrio.
Los más conocidos se designan con FECRALLOY® o CANTAL®.
Los soportes cerámicos tienen una estructura del tipo de nido de abejas o se presentan en forma de espuma o de fibras.
Los soportes metálicos pueden ser realizados por arrollamiento de láminas onduladas o por apilamiento de láminas metálicas igualmente onduladas, que constituyen una estructura de nido de abejas de canales rectos o de canales en zigzag que se comunican entre sí o no. Pueden estar realizados igualmente a partir de fibras o de hilos metálicos enmarañados, tejidos, trenzados o tricotados.
Para los soportes de metal que contienen aluminio en su composición, se recomienda pre-tratarlos a alta temperatura (por ejemplo entre 700 y 1100ºC) para desarrollar en la superficie una micro-capa de alúmina refractaria. Esta micro-capa superficial, de porosidad y de superficie específica superior a la del metal de origen favorece la fijación de la fase activa protegiendo el resto del soporte contra la corrosión.
La cantidad de fase adsorbente depositada o preparada directamente sobre el soporte (o substrato) cerámico o metálico está comprendida generalmente entre 20 y 300 g por litro de dicho soporte y ventajosamente entre 50 y 200 g por litro.
Los materiales según la invención permiten, por lo tanto, adsorber y desorber los óxidos de nitrógeno presentes en los ases, en particular los gases de escape.
Estos materiales se caracterizan porque son capaces de adsorben los NOx a una temperatura generalmente comprendida entre 50 y 400ºC y con preferencia entre 100 y 350ºC y de manera más preferida entre 150 y 250ºC, pudiendo ser desorbidos dichos óxidos de nitrógeno a una temperatura generalmente comprendida entre 300 y 500ºC y de manera preferida comprendida entre 350 y 450ºC. Así pues, la desorción según la invención puede tener lugar sobre ventanas estrechas de temperaturas, respectivamente, en general con una amplitud de 80ºC. Ahora bien, para los vehículos Diesel ligeros, la temperatura de los gases de escape está comprendida generalmente entre 150 y 300ºC y raramente excede de 500ºC. Los materiales utilizados en el procedimiento según la invención están adaptados, por lo tanto, para la adsorción de los óxidos de nitrógeno presentes en los gases de escape, de motores estacionarios o particularmente de motores automóviles Diesel o de encendido controlado (motores llamados de reglaje pobre), pero igualmente en los gases emitidos desde turbina de gas que funciona con carburantes gaseosos o líquidos. Estos gases se caracterizan también por contenidos en óxidos de nitrógeno desde algunas decenas hasta algunos miles de partes por millón (ppm) y pueden contener contenidos comparables en compuestos reductores (CO, H_{2}, hidrocarburos) y en azufre (así como concentraciones importantes en oxígeno (de 1 a casi 20% en volumen) y en vapor de agua. El material según la invención puede ser utilizado en VVH (volumen de material por volumen de gas por hora) del gas de escape comprendido generalmente entre 500 y 150.000 h-1, por ejemplo entre 5000 y 100.000 h-1.
La invención se refiere igualmente a la utilización de los materiales para la adsorción y la desorción de los óxidos de nitrógeno en un procedimiento de eliminación de los óxidos de nitrógeno, muy particularmente en un medio sobre-estequiométrico en oxidantes. Así, el material según la invención puede ser utilizado en un procedimiento que comprende.
-
eventualmente una etapa de oxidación de al menos una parte de los óxidos de nitrógeno en presencia de un metal de oxidación,
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una etapa de adsorción de al menos una parte de dichos óxidos de nitrógeno sobre un material de adsorción, tal como se define en la presente invención,
-
una etapa de desorción de los óxidos de nitrógeno,
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una etapa de reducción selectiva de al menos una parte de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno molecular por agentes reductores en presencia de al menos un catalizador de reducción de los óxidos de nitrógeno.
Así pues, el procedimiento de eliminación de los óxidos de nitrógeno comprende durante la etapa de reducción de los óxidos de nitrógeno la utilización de un catalizador activo y selectivo para la reducción de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno molecular en un medio sobre-estequiométrico en oxidantes, por agentes reductores. Los catalizadores de reducción de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno o protóxido de nitrógeno comprenden generalmente al menos un óxido inorgánico refractario y pueden comprender al menos una de las zeolitas, seleccionada por ejemplo entre las zeolitas MFI, UN-86, UN-87, EU-1 y generalmente al menos un elemento seleccionado entre los elementos de los grupos VIB, VIIB, VIII e IB de los metales de transición. Estos catalizadores pueden contener eventualmente al menos un elemento seleccionado entre los metales nobles del grupo VIII, por ejemplo el platino, el rodio, el rutenio, el iridio, el paladio y eventualmente al menos un elemento seleccionado entre los elementos de los grupos IIA de los alcalino-térreos y IIIB de las tierras raras. Por ejemplo, los catalizadores de reducción de los óxidos de nitrógeno comprenden las combinaciones siguientes: Cu-ZSM5, Fe-ZSM5, Ce-ZSM5, Pt-ZSM5.
El óxido inorgánico refractario está elegido entre los soportes de tipo Al_{2}O_{3}, SiO_{3}, ZrO_{2} y TiO_{2}, con preferencia la alúmina.
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Los agentes reductores están elegidos entre CO, H_{2}, los hidrocarburos, presentes en el carburante o añadidos en forma de productos frescos.
En el caso de que el material de adsorción de los óxidos de nitrógeno según la invención contenga al menos un elemento (C) seleccionado entre los metales nobles de los grupos 8, 9 y 10 de la clasificación periódica de los elementos, el procedimiento de eliminación de los óxidos de nitrógeno comprende una primera etapa de oxidación y la reducción de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno o protóxido de nitrógeno puede tener lugar directamente sobre el material de adsorción según la invención, que permite a la vez oxidar los óxidos de nitrógeno, acumular los óxidos de nitrógeno, desorber dichos óxidos de nitrógeno y reducirlos.
Ejemplos
Los ejemplos 1 y 5 a 12 siguientes ilustran la invención sin limitar el alcance. Los ejemplos 2 a 4 describen los materiales utilizados en la captura de los NOx según la técnica anterior.
A título de comparación, todos estos catalizadores fueron ensayados en el laboratorio en micro unidad con una mezcla de gas sintético.
En todos los ejemplos, la designación de fase adsorbente depositada sobre el soporte (o substrato) corresponde, después de pérdida a fuego, a la suma de los elementos que constituyen el material descrito en el procedimiento anterior, a saber: los tetraedros de fosfato, al menos un elemento (A), eventualmente al menos un elemento (B), eventualmente al menos un metal precioso (C) o elementos que constituyen los elementos básicos óxidos.
Los contenidos másicos de los diferentes elementos que constituyen la fase adsorbente se mencionan en porcentaje en la Tabla I. El oxígeno de las fases de óxidos no es tenido en cuenta en el balance de masa, salvo para los fosfatos.
Ejemplo 1
(Invención)
Se disolvieron 0,15 mol de CrOCl_{2}.8H_{2}O en 1 litro de HCl (3 mol/L). Se añadió a continuación 1 litro de HCl (1,7 mol/L) de +H_{3}PO_{4} (1,7 mol/L). La solución obtenida fue agitada y calentada a reflujo durante 13 horas, luego fue filtrada. El producto recuperado fue puesto de nuevo en solución en 2 litros de H_{3}PO_{4} (2,5 ml/L) y calentado a reflujo durante 12 h.
Después de la centrifugación, se lavó el producto recuperado con agua destilada para retirar el exceso de ácido fosfórico, luego se dejó secar al aire.
El intercambio de los protones del sólido obtenido por cationes de cesio se realizó en dos etapas. En primer lugar, se procedió a un intercambio parcial de estos protones por cationes de sodio. Para ello, se introdujo el sólido obtenido en una solución de fosfato de sodio de hidrógeno (NaH_{2}PO_{4}.2H_{2}O) de concentración 0,5 M, luego se filtró. El producto se lavó a continuación con agua destilada, luego se secó.
El compuesto puede someterse entonces al intercambio de cesio. Este intercambio se realizó introduciendo el polvo obtenido en una solución de acetato de sodio de concentración 0,4 M. La suspensión se agitó a temperatura ambiente durante 12 horas, luego se filtró, se aclaró y se secó al aire.
El material intercambiado y seco fue deshidratado a 180ºC durante 12 horas. Antes de la utilización, será calcinado al aire a 600ºC.
Ejemplo 2
(Comparativo)
Se preparó un material de oclusión de los NO_{x} según la técnica descrita en la patente JP 9075714, que tiene la composición siguiente K_{18}Zn_{0,9}Sn_{6,2}O_{16} y que presenta la estructura holandita (verificada por difracción de los rayos X).
Ejemplo 3
(Comparativo)
Se preparó el material de oclusión de los NO_{x} de fórmula YBa_{2}Cu_{3}O_{7-x} según la técnica descrita en la patente EP 0 664 147 y que presenta la estructura de perovsquita (verificada por difracción de los rayos X).
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Ejemplo 4
(Comparativo)
Se utilizó un material de fórmula PtBaLa-CeO_{2}-Al_{2}O_{3}-TiO_{2}, tal como se describe en la solicitud de patente EP 0 666 103 A1, para capturar los NO_{x} por formación de nitratos.
Ejemplo 5
(Invención)
Se reprodujo el catalizador del ejemplo 1, con la excepción de que la etapa de intercambio por cesio fue sustituida por un intercambio de potasio con una solución de acetato de potasio de concentración 0,4 M.
Ejemplo 6
(Invención)
Se reprodujo el catalizador del ejemplo 1, con la excepción de que la etapa de intercambio por cesio a temperatura ambiente fue sustituida por un intercambio de bario con una solución de acetato de bario de concentración 0,2 M.
Ejemplo 7
(Invención)
Se disolvieron 0,15 ml de ZrOCl_{2}.8H_{2}O en 150 ml de H_{2}O.
Se disolvieron 415 g de NaH_{2}PO_{4} en 300 ml de una solución de ácido clorhídrico (3 M). Se introdujo por goteo la sal de zirconio en la solución caliente de ortofosfato de sodio. El gel así obtenido fue agitado y calentado a reflujo durante 25 horas. El gel fue filtrado a continuación con una solución de 0,2 M de NaH_{2}PO_{4}, luego fue sometido a un último aclarado para retirar el exceso de fosfato. A continuación fue secado al aire.
El compuesto fue sometido entonces a un intercambio con cesio. Este intercambio se realizó introduciendo el polvo obtenido en una solución de acetato de cesio de concentración 0,4M. La suspensión fue agitada a temperatura ambiente durante 12 horas, luego fue filtrada, aclarada y secada al aire.
El material intercambiado y seco fue deshidratado a 180ºC durante 12 horas. Antes de la utilización, será calcinado al aire a 600ºC.
Ejemplo 8
(Invención)
Se reprodujo el catalizador del ejemplo 7, con la excepción de que la etapa de intercambio por cesio a temperatura ambiente fue sustituida por un intercambio de bario con una solución de acetato de bario de concentración 0,2 M.
Ejemplo 9
(Invención)
Se disolvieron 0,15 mol de ZrOC_{l2}.8H_{2}O en 1 litro de HCl (3 mol/L). Se añadió a continuación 1 litro de HCl (1,7 mol/L) de +H_{3}PO_{4} (1,7 mol/L). La solución obtenida fue agitada y calentada a reflujo durante 12 horas, luego fue filtrada. El producto recuperado fue lavado a continuación con agua destilada. El compuesto experimentó entonces un intercambio con cesio. Este intercambio se efectúa introduciendo el polvo obtenido en una solución de acetato de cesio de concentración 0,4 M. La suspensión fue agitada a temperatura ambiente durante 12 horas, luego fue filtrada, aclarada y secada al aire. Los materiales intercambiados y secos fueron deshidratados calentándolos a 180ºC durante 12 horas. Antes de la utilización, fueron calcinados al aire a 600ºC.
Ejemplo 10
(Invención)
Se disolvieron 0,15 mol de ZrOC_{l2}.8H_{2}O en 1 litro de HCl (3 mol/L). Se añadió a continuación 1 litro de HCl (1,7 mol/L) de +H_{3}PO_{4} (1,7 mol/L). La solución obtenida fue agitada y calentada a reflujo durante 12 horas, luego fue filtrada. Se colocó la totalidad del producto en 2 litros de H_{3}PO_{4} (4,5 mol/L) que se calentó a reflujo durante 5 horas. El exceso de ácido fosfórico fue retirado por centrifugación y el material obtenido fue lavado con agua destilada, luego fue secado al aire.
Se añadió por goteo una solución de n-propilamina (0,1 M) al lote de producto obtenido en una proporción de 100 ml por gramo de producto. La suspensión obtenida fue mezclada durante 4 horas, luego fue filtrada y lavada.
El material fue colocado de nuevo en solución en un volumen de agua y se añadió allí una solución de cloruro básico de aluminio de pH igual a 4. La mezcla se calentó a reflujo durante 24 horas.
El producto fue filtrado, lavado, secado y a continuación fue calcinado al aire a 400ºC durante 5 horas. El compuesto experimentó entonces un intercambio con cesio. Este intercambio se realizó introduciendo el polvo obtenido en una solución de acetato de cesio de concentración 0,4 M. La suspensión fue agitada a temperatura ambiente durante 12 horas, luego fue filtrada, aclarada y secada al aire.
El material intercambiado y seco fue deshidratado a 180ºC durante 12 horas. Antes de la utilización, será calcinado al aire a 600ºC.
Ejemplo 11
(Invención)
Se disolvieron 0,15 mol de ZrOC_{l2}.8H_{2}O en 1 litro de HCl (3 mol/L). Se añadió a continuación 1 litro de HCl (1,7 mol/L) de +H_{3}PO_{4} (1,7 mol/L). La solución obtenida fue agitada y calentada a reflujo durante 12 horas, luego fue filtrada. Se colocó la totalidad del producto en 2 litros de H_{3}PO_{4} (4,5 mol/L) que se calentó a reflujo durante 5 horas. El exceso de ácido fosfórico fue retirado por centrifugación y el material obtenido fue lavado con agua destilada, luego fue secado al aire.
Se introdujo el material obtenido en 3 litros de una solución acuosa que contiene 100% en masa de NH_{2}(CH_{2})_{3}Si(OC_{2}H_{5})_{3}; la solución obtenida se calentó a reflujo durante 72 horas, luego la suspensión fue filtrada, lavada y secada. El polvo obtenido fue deshidratado a 180ºC durante 12 horas, luego fue calcinado al aire a 450ºC durante 5 horas.
El compuesto experimentó entonces un intercambio con cesio. Este intercambio se realizó introduciendo el polvo obtenido en una solución de acetato de cesio de concentración 0,4 M. La suspensión fue agitada a temperatura ambiente durante 12 horas, luego fue filtrada, aclarada y secada al aire.
El material intercambiado y seco fue deshidratado a 180ºC durante 12 horas. Antes de la utilización, será calcinado al aire a 600ºC.
Ejemplo 12
(Invención)
Se mezclaron 50 gramos de solución de TiCl_{4} con 1 litro de HCl (2 mol/L) y 1 litro de H_{3}PO_{4} (2 mol/L). Se calentó el conjunto a reflujo durante 12 horas, luego se filtró. El producto recuperado fue lavado a continuación con una solución de H_{3}PO_{4}.
Se calentó a continuación el producto a reflujo en una solución de H_{3}PO_{4} (3 mol/L) durante 12 horas. El producto fue filtrado a continuación, luego se introdujo en una solución de fosfato de sodio dihidrógeno (NaH_{2}PO_{4}.2H_{2}O) de concentración 0,5 M, luego se filtró. El producto se lavó a continuación con agua destilada, luego se secó.
El compuesto experimentó entonces un intercambio con cesio. Este intercambio se realizó introduciendo el polvo obtenido en una solución de acetato de cesio de concentración 0,4 M. La suspensión fue agitada a temperatura ambiente durante 12 horas, luego fue filtrada, aclarada y secada al aire.
El material intercambiado y seco fue deshidratado a 180ºC durante 12 horas. Antes de la utilización, será calcinado al aire a 600ºC.
1
Ejemplo 13 Resultados de los ensayos de adsorción-desorción
Los materiales ensayados fueron instalados en un micro-reactor colocado en el centro de un horno. Fueron sometidos a un pre-tratamiento a 600ºC durante 5 horas bajo una mezcla gaseosa constituida por nitrógeno que contiene 10% de O_{2} y 2% de H_{2}O. Bajo la misma mezcla, estos materiales fueron llevados a una temperatura de 200ºC, donde fueron atravesados durante 20 minutos por una mezcla gaseosa que contiene óxidos de nitrógeno.
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Después de veinte minutos de adsorción, se acopló la alimentación de óxidos de nitrógeno, los materiales experimentaron un calentamiento parta desorber los NO_{x}:
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En la Tabla II siguiente se resumen los valores que indican la cantidad de óxidos de nitrógeno adsorbidos así como las temperaturas de desorción de estos óxidos. Con la excepción del material del ejemplo 4 que contiene ya platino en su composición, los resultados representados en las columnas "con platino", son los de los materiales respectivos, a los que se ha mezclado una fase Pt/SiO_{2} equivalente a un porcentaje másico de 1% con relación a la masa total de la mezcla. Se ha verificado en, en nuestras condiciones, esta fase Pt/SiO_{2} no juega ningún papel de masa adsorbente de los óxidos de nitrógeno.
TABLA II Resultados de los ensayos de adsorción-desorción en micro-unidad
2
Se constata que los fosfatos reivindicados por la Firma Solicitante, particularmente cuando éstos contienen elementos alcalinos, son eficaces en la adsorción de los óxidos de nitrógeno. La capacidad de adsorción puede ser mejorada ventajosamente por el aumento de la superficie específica introduciendo elementos básicos en la estructura de láminas de los materiales reivindicados. La presencia de una fase oxidante es también beneficiosa y permite aumentar la cantidad de NO_{x} acumulados en los materiales reivindicados.
Ejemplo 14 Extrapolación a alta velocidad espacial horaria y a mezcla gaseosa compleja
Los materiales ensayados fueron instalados en un reactor colocado en el centro de un horno. Fueron sometidos a un pre-tratamiento a 600ºC durante 5 horas bajo una mezcla gaseosa constituida por nitrógeno que contiene 18,5% de O_{2}, 5% de CO_{2}, 4% de H_{2}O y 500 ppmC de C_{2}H_{4}. En la misma mezcla, estos materiales fueron llevados a la temperatura de 200ºC, donde fueron atravesados entonces durante 20 minutos por una mezcla gaseosa que contiene óxidos de nitrógeno.
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Después de veinte minutos de adsorción, se acopló la alimentación de óxidos de nitrógeno, los materiales experimentaron un calentamiento parta desorber los NO_{x}:
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En la Tabla III siguiente se resumen para los materiales del ejemplo 1 los valores que indican la cantidad de óxidos de nitrógeno adsorbidos así como las temperaturas de desorción de estos óxidos; se comparan con los resultados obtenidos en las condiciones precedentes para el mismo material.
Se constata que los fosfatos reivindicados por la Firma Solicitante muestran una eficacia comparable en adsorción de óxidos de nitrógeno, que la VVH es igual a 5000 0 a 50000 h^{-1}. Además, si la mezcla se vuelve más compleja por la adición de otras moléculas gaseosas (CO_{2}, C_{2}H_{4}) contenidas clásicamente en los gases de escape y cuyo tamaño podría permitir que fueran adsorbidas en los espacios interlaminares de los materiales, se aprecia que la capacidad de adsorción solamente se reduce en un 30% aproximadamente.
Tales resultados sugieren que los materiales reivindicados por la Firma Solicitante pueden ser utilizados para la captura de óxidos de nitrógeno contenidos en los gases de escape, que presentan altas VVH y moléculas gaseosas distintas a NO_{x}.
Las temperaturas de desorción de los óxidos de nitrógeno acumulados en el material no son modificados significativamente ni por el aumento de la VVH ni por la presencia de otras moléculas adsorbidas sobre el material.
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TABLA III Resultados de los ensayos de adsorción
4
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Ejemplo 15 Evaluación de la contaminación por las moléculas azufradas
Los materiales ensayados fueron instalados en un micro-reactor colocado en el centro de un horno. Fueron sometidos a un pre-tratamiento a 600ºC durante 5 horas bajo una mezcla gaseosa constituida por nitrógeno que contiene 10% de O_{2} y 2% de H_{2}O. En la misma mezcla, estos materiales fueron llevados a la temperatura de 200ºC, donde fueron atravesados entonces durante 20 minutos por una mezcla gaseosa que contiene óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre.
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Después de veinte minutos de adsorción, se acopló la alimentación de óxidos de nitrógeno y de azufre y los materiales experimentaron un calentamiento para desorber los NO_{x}:
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Entonces fueron sometidos a una segunda serie de adsorción y de desorción.
En la Tabla IV siguiente se resumen para los materiales del ejemplo 1 los valores que indican la cantidad de óxidos de nitrógeno adsorbidos así como las temperaturas de desorción de estos óxidos, en presencia no de dióxido de azufre.
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TABLA IV Evaluación de la sensibilidad al azufre
5
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La capacidad de adsorción de los óxidos de nitrógeno de los materiales de los ejemplos 1 y 11 solamente se redujo un 20% en presencia de óxido de azufre contra 33% para el material del ejemplo 4 según la técnica anterior.
Las temperaturas de desorción de los óxidos de nitrógeno, que han sido acumulados, son sensiblemente iguales a las temperaturas obtenidas durante las experiencias sin azufre.
Sin embargo, los materiales de los ejemplos 1 y 11 recuperan la totalidad de su capacidad de adsorción inicial después de una desorción térmica a 600ºC (la capacidad durante la adsorción 2 es igual a la capacidad de la primera adsorción), lo que no es el caso para el compuesto del ejemplo 4. Las acumulaciones de NOx reivindicadas por la Firma Solicitante presentan, por lo tanto, la gran ventaja de poder regenerarse fácilmente después de haber estado en contacto con óxidos de azufre, mientras que los materiales que funcionan capturando NO_{x} por formación de nitratos (ejemplo 4) son contaminados por especies de sulfatos que son extremadamente estables térmicamente.

Claims (18)

1. Procedimiento para la adsorción y la desorción de los óxidos de nitrógeno en los gases de escape, en particular de motores de combustión interna de vehículos automóviles, en presencia de un material que tiene una estructura laminar y que comprende tetraedros de fosfato, al menos un elemento (A) seleccionado entre los elementos de los grupos IVB, VB, VIV e IVA de la clasificación periódica de los elementos y al menos un elemento (B) seleccionado en el grupo constituido por los elementos alcalinos, alcalino-térreos, las tierras raras, los metales de transición, los elementos de los grupos IIIA, IVA de la clasificación periódica de los elementos, estando integrado dicho elemento A en los sitios octaédricos dispuestos por la estructura fosfatada que constituye las láminas y estando situado dicho elemento B en el espacio inter-laminar de dicho material laminar.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el elemento (A) de dicho material de estructura laminar es del grado de oxidación +4.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque dicho elemento (A) está elegido entre el zirconio, el titanio, el germanio, el estaño.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho elemento (B) es el cesio.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho material comprende, además, al menos un metal (C) seleccionado entre los metales nobles del grupo VIII de la clasificación periódica de los elementos.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho elemento (C) es el platino.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la composición en peso de dicho material comprende un porcentaje en masa de:
-
20 a 80% de fosfato, expresado en PO_{4},
-
5 a 40% de al menos un elemento (A),
-
1 a 55% de al menos un elemento (B),
-
eventualmente de 0,05 a 5% de al menos un metal (C).
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicho material comprende elementos básicos en la estructura laminar.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque dichos elementos básicos formados en el espacio interlaminar comprenden al menos un óxido o una solución sólida de al menos un óxido de al menos un elemento seleccionado en el grupo constituido por los elementos de los grupos IIIA, IVA y los metales de transición.
10. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque dicho material presenta una superficie específica comprendida entre 30 y 500 m^{2}g^{-1}.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque dicho material comprende al menos un soporte poroso.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el soporte poroso está elegido entre los compuestos siguientes: SiO_{2}, Al_{2}O_{3}, TiO_{2}, ZrO_{2}, SiC, MgO, alumino-silicato.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicho material comprende al menos un soporte rígido.
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la adsorción de los óxidos de nitrógeno se efectúa a una temperatura comprendida entre 50 y 400ºC.
15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la desorción de los óxidos de nitrógeno es efectuada a una temperatura comprendida entre 300 y 500ºC.
16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó 15, que comprende una etapa de reducción selectiva de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno molecular y/o en protóxido de nitrógeno.
17. Procedimiento según la reivindicación1 6, de tal manera que la reducción de los óxidos de nitrógeno tiene lugar en presencia de un catalizador que comprende al menos un óxido inorgánico refractario, eventualmente al menos una zeolita, al menos un elemento seleccionado entre los elementos de los grupos VIB, VIIB, VIII e IB de los metales de transición, eventualmente al menos un elemento seleccionado entre los metales nobles del grupo VIII, y eventualmente al menos un elemento seleccionado entre los elementos de los grupos IIA de los alcalino-térreos y IIIB de las tierras raras.
18. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el motor es un motor de tipo Diesel.
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