Xúc tác DeNOx trên chất mang nanocarbon

Xúc tác DeNOx trên chất mang nanocarbon LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp và các loại phương tiện giao thông, động cơ nhiên liệu thì mức độ phát thải các khí độc hại (CO, NOx, và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC - là những chất phổ biến trong khí thải công nghiệp và khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải) vào môi trường trở thành vấn đề cần được chú ý hàng đầu. Chúng gây ra những tác động xấu đến sức khỏe và môi trường, do đó các tiêu chuẩn về môi trường chỉ cho phép phát thải với một hàm lượng nhất định. Vì vậy, biện pháp hữu hiệu để loại bỏ khí độc này nhằm bảo vệ môi trường và sức khoẻ là chuyển hoá hoàn toàn chúng thành những chất không độc (CO2, N2) rồi dễ dàng chuyển hoá tiếp thành những chất không ô nhiễm. Vấn đề là tìm cách để nâng cao hiệu suất của phản ứng chuyển hoá CO, NOx, VOC trong những điều kiện không quá khắc nghiệt, tiêu tốn năng lượng ít và nhất là có thể tương hợp với điều kiện khí thải càng tốt. Trong đó, NOx luôn tồn tại với một hàm luợng đáng kể trong khí thải, gây nhiều tác hại đối với sức khỏe con người và môi trường. Nó cũng chính là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kĩ thuật của động cơ. Theo thống kê hằng năm có khoảng 48 triệu tấn NOx do các hoạt động của con người sinh ra và mức độ phát sinh chất ô nhiễm trung bình của quá trình đốt cháy nhiên liệu hydrocarbon có hệ số dư không khí a = 1, như sau : Chất ô nhiễmLượng phát sinh (g/kg nhiên liệu) NOx20 CO200 HC25 Bồ hóng25 Và theo số liệu thống kê về tình hình gia tăng mức độ phát sinh NOx : Nồng độ theo thể tích (2007) : 314 ppm Gia tăng nồng độ so với thời kì tiền công nghiệp (1750) : 44 ppm Phần trăm gia tăng : 16% Vì vậy, việc nghiên cứu phản ứng deNOx đã được thực hiện từ lâu. Để nâng cao hiệu suất phản ứng và giảm thiểu tiêu hao năng lượng thì phương pháp hữu hiệu là cải tiến xúc tác của quá trình và các phản ứng xúc tác. Nội dung của đồ án bao gồm: Chương I: Tìm hiểu về NOx và các phương pháp khử NOx Chương II: Tổng quan về chất xúc tác cho phản ứng deNOx Chương III: Tổng quan về nanocarbon và khả năng tổng hợp xúc tác deNOx trên chất mang cấu trúc nanocarbon Chương IV: Mô phỏng quá trình khử NOx trong khói thải động cơ Diesel bằng phần mềm COMSOL. CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ NOx VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ NOx 1.1.Định nghĩa NOx là thuật ngữ dùng để chỉ các oxyt nitơ (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5 . . .) được sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao, do quá trình oxy hoá của nitơ trong khí quyển do tia sét, núi lửa . . . , hoặc do quá trình phân huỷ bởi vi sinh vật, các quá trình sản xuất hoá học có sử dụng các hợp chất nitơ. . . . Trong quá trình cháy chủ yếu sinh ra NO, sau đó một phần khí này chuyển hoá thành NO2 tuỳ thuộc điều kiện. Giá trị của NOx được xác định tương ứng với tổng lượng NO và NO2, còn protoxyt nitơ (N2O) không được tính đến trong hỗn hợp này. 1.2.Nguồn phát sinh 1.2.1.Monoxyt nitơ (NO) Trong tự nhiên NO được tạo thành một lượng lớn do nhiều quá trình sinh học, đặc biệt do các tác động của vi khuẩn. Người ta đánh giá các nguồn tự nhiên của NO trên toàn cầu lớn gấp 10 lần nguồn do các hoạt động của con người tạo ra. Tuy nhiên, các nguồn tự nhiên phân bố đều trên khắp toàn cầu nên nồng độ rất nhỏ so với sự ô nhiễm do các hoạt động của con người, thường tập trung ở các vùng đô thị và công nghiệp. Trong các hoạt động sản xuất và sinh hoạt, NOx tạo thành do sự kết hợp trực tiếp của N2 và O2 ở điều kiện nhiệt độ cao: N2 + O2 → 2NO + Q < 0 Ở các vùng đô thị và công nghiệp, NO có trong khí thải động cơ ôtô, khí thải các lò đốt than, dầu…NO cũng có trong không khí, nó được tạo ra khi nổ, bắn mìn. Quan trọng nhất tạo thành NO là các động cơ chạy bằng xăng và dầu diesel khi cháy tuần hoàn và có tốc độ cháy cực lớn.. 1.2.2.Dioxyt nitơ (NO2) NO2 là một nguồn quan trọng trong ô nhiễm môi trường không khí. NO2 được tạo ra từ các động cơ xe cộ và các lò đốt bằng nhiên liệu. Trong khí thải của công nghiệp hoá chất, NO2 phát sinh do sản xuất HNO3 bằng oxy hoá NH3 là một nguồn quan trọng. NO phản ứng với O2 trong không khí khi có mặt của xúc tác Platin tạo thành NO2, NO2 kết hợp với nước tạo axit HNO3 và NO, NO lại bị oxy hoá thành NO2. 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO Phản ứng : NO + ½ O2 → NO2 xảy ra chậm hơn khi nồng độ NO giảm. Trong các đám cháy nhà (gỗ, tre, lá, các vật dụng bằng nhựa, chất dẻo….), các loại phim ảnh tự bốc cháy ở một điều kiện nhất định hoặc cháy các sản phẩm có chứa nitrat, nitrit, HNO3 (rơm, thuốc nhuộm…)… cũng tạo ra nhiều NO và NO2. Trong môi trường sản xuất công nghiệp, NO2 được quan tâm nhiều hơn NO vì có độc tính cao và thường gây nhiễm độc. Nguồn phát sinh NO2 nhiều nhất là kỹ nghệ hoá học : sản xuất HNO3, các nitrat, các dẫn xuất hữu cơ có nhóm – NO2, sản xuất axit oxalic, axit asenic, phẩm màu, sơn, phân bón, axit phtalic, axit photphoric . . . Trong các hoạt động sản suất thông thường cũng phát sinh NO2 như : hàn điện, hàn cắt kim loại, đúc điện, làm sạch mặt ngoài kim loại trước khi mạ (dùng dung dịch nước cường toan HNO3 + HCl) NO2 cũng có trong môi trường lao động của một số ngành sản xuất như : in, dệt (tẩy trắng), thực phẩm, thổi thủy tinh, đốt khí thiên nhiên, trong các gara ôtô khi thử động cơ… NO2 phát sinh do sự phân hủy của các chất hữu cơ và các nitrit ở các hầm chứa, bảo quản lương thực (silo) gây nhiễm độc (người ta gọi là bệnh của người làm việc trong kho, hầm chứa).