Mới tìm hiểu sơ về xúc tác CuO để oxihoa CO thành CO2, ứng dụng trong xử lý khí thải Post lên để anh em thảo luận cho vui!!
- Giới thiệu chung:
Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xe cộ tăng nhanh, vấn đề xử lý khí thải ngày càng cần thiết, Các chất ô nhiễm chủ yếu là CO, SOx, NOx, HC…
Theo thống kê của tổ chức bảo vệ sức khỏe thế giới, mỗi năm các hoạt động thải ra một khí quyễn 250 triệu tấn bụi, 200 tấn CO…
Ở nước ta nói riêng thì các khu công nghiệp đang hình thành, các phương tiện giao thông ngày càng tăng nên đã làm cho môi trường ngày càng nghiêm trọng hơn.
Monoxit cacbon được hình thành do đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất hưu cơ và khí xả của động cơ xăng dầu(các động cơ xăng thải nhiều CO hơn động cơ dầu).
Khí thải động cơ xăng chứa 1- 7% CO.
Làm sạch không khí bằng xúc tác là một phần quan trọng trong việc xử lý môi trường, khử độc khí thải bằng xúc tác là hiệu quả và hay nhất.
Nhưng điều khiến cho các nhà khoa học đau đầu là phải tìm được các chất thích hợp, rẻ tiền, và có thời gian sử dụng lâu dài.
Oxi hóa hoàn toàn là phương pháp cơ bản nhất của phương pháp xử lý khí thải muốn vậy thì phải nhờ đến xúc tác, xúc tác xử lý hiệu quả và triệt để khí thải công nghiệp mà những phương pháp khác không thực hiện được. Tuy nhiên phương pháp xúc tác chỉ hiệu quả khi nồng độ khí thải loãng hay trên ngưỡng cho phép chút ít.
Phương pháp oxi hóa xúc tác có ưu điểm sao:
Sản phẩm tạo ra là CO2 và nước không độc, CO2 có thể hấp thụ hoàn toàn qua dung dịch kiềm.
Cho phép xử lý khí đa cấu tử với nồng độ ban đầu từ thấp đến cao vẫn đạt được mức làm sạch cao.
Hệ thống thiết bị đơn giản nhưng vẫn đạt hiệu quả cao khi sử dụng chất xúc tác thích hợp.
Bố trí được nhiều hệ thống hoặc động song song hoặc xen kẽ nhờ đó thiết bị có thể hoạt động liên tục.
Xúc tác có thể tái sử dụng.
Không đòi hỏi nhiều năng lượng như phương pháp đốt nhiệt, nên có hiệu quả kinh tế cao.
Với các ưu điểm đó nó được sử dụng rộng rãi trong xử lý khí thải động cơ xe.
Nhược điểm:
Các xúc tác dễ bị mất hoạt tính khi bị đầu độc bởi những chất độc như: H¬2S, CS2, CO, hợp chất photpho, chì…
Yêu cầu của chất xúc tác là bền cấu trúc bền hóa học, bền với các chất độc bền với nhiệt độ. - Oxi hóa hoàn toàn CO bằng xúc tác kim loại, oxit kim loại. Xúc tác kim loại quý: Pt, Pd, Au Ưu điểm: Hoạt tính oxi hóa cao, là các kim loại rất tốt trong xử lý khí thải nói chung và CO nói riêng. Nhược điểm: Giá cao, dễ bị đầu độc vì khả năng nhạy cảm cao, Au làm việc ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao sẽ không còn tốt nửa. Hiện nay có một số tác giải cho rằng Pt là chất xúc tác oxi hóa tốt hơn Pd và cũng có một số có quan điểm ngược lại. Xúc tác oxit kim loại: Các oxit kim loại chuyển tiếp( có d chưa bảo hòa) là các chất xúc tác thay thế kim loại quý đầy hứa hẹn. Ưu điểm: Có hoạt tính cao (nhưng không bằng kim loại quý khi ở nhiệt độ thấp, tuy nhiên khi ở nhiệt độ cao thì hoạt tính tương đương). Rẻ hơn kim loại quý. Ít bị đầu độc bởi các oxit Nito, S, CO2. Không là chất dễ cháy. Độ bền cơ học cao do đó có thể sử dụng lâu dài. Có hoạt tính xúc tác tốt. Nhược điểm: Hoạt tính kém hơn kim loại quý ở nhiệt độ thấp.
- Nghiên cứu xúc tác CuO: CuO là một oxit kim loại được nghiên cứu nhiều nhất mang trên chất mang. Một số công trình nghiên cứu xử lý CO bằng CuO thấy CuO có hoạt tính gần bằng kim loại quý. CuO/Al2O3 vừa có hoạt tính cao vừa bền trước các chất đầu độc như S và Chì, ngoài ra các dạng spinel CuCr2O4 có hoạt tính cao nhất và không bị đầu độc. CO có hoạt tính cao cho phép oxi hóa sâu CO.
- Cơ chế của phản ứng: Trong oxi hóa CO bản thân CO là chất khử, tham gia vào việc khử CuO cung cấp oxi cho phản ứng, do đó chu kỳ oxi hóa diễn ra nhanh hơn. Ở nhiệt độ đử cao oxi hóa CO diễn ra giữa phân tử CO hấp thụ và nguyên tử oxi trong mạng và bề mặt oxit nhanh chống bị khử, sau đó được tái oxi hóa bằng oxi không khí. Nghiên cứu phản ứng này trên CuO cho thấy oxi hóa CO dẫn đến hình thành hợp chất trung gian cacbonat, trong đó có sự tham gia của oxi bề mặt. ở nhiệt độ phòng CO hấp thụ trên bề mặt của CuO và nhanh chống bị oxi hóa thành phức cacbonat nhờ phản ứng với oxi trên bề mặt đồng thời CuO cũng bị khử thành Cu, tuy nhiên quá trình này cũng nằm trong cân bằng với quá trình oxi hóa Cu bởi oxi trong hỗn hợp phản ứng cùng đồng thời diễn ra đễ tái tạo lại xúc tác. Phản ứng: CO tác dụng với oxi bề mặt (oxi trong mạng) theo phản ứng: CO + 2O2- → CO32- + 2e Với chất xúc tác là oxit kim loại CuO: Cu2+ + 2e → Cu Sau đó O2- trong mạng được hoàn nguyên: CO32- → CO2 + O2- Và một O2- được hoàn nguyên do tái oxi hóa: O2 + 2Cu → O2- + Cu2+ Quá trình tái oxi hóa bề mặt diễn ra khá nhanh do đó nếu năng lượng liên kết của oxi trên bề mặt nhỏ thì hoạt tính xúc tác của kim loại sẽ cao ( liên kết M-O càng dễ đức thì hoạt tính sẽ cao, M = kim loại). Cơ chế phân đoạn 1 của phản ứng oxi hóa CO được kiểm chứng bằng cách so sánh trực tiếp tốc độ của giai đoạn khử và giai đoạn tái oxi hóa với tốc độ phản ứng ở trạng thái xúc tác ổn định. ở nhiệt độ cao tốc độ của những giai đoạn này trùng với tốc độ phản ứng xúc tác, khi nhiệt độ giảm tốc độ phản ứng giảm chậm hơn tốc độ khử và tốc độ tái oxi hóa, tốc độ tái oxi hóa giảm khi tốc độ khử tăng, sự phụ thuộc này được giả thuyết là do sự khuyếch tán lỗ trống vào khối tinh thể gây ra. Oxi hóa CO trên oxit không giống như trên kim loại vì trong trường hợp này cấu trúc cacbonat được hình thành trên bề mặt. Tốc độ hình thành và phân hủy cấu trúc này có thể đo được từ sự thay đổi cường độ đỉnh hấp thu trong phổ IR. Quá trình phân hủy đồi hỏi năng lượng hoạt hóa cao vì phải phá hủy liên kết oxi – oxit. ở nhiệt độ cao sự phá hủy cấu trúc cacbonat tạo ra CO2 xảy ra nhanh chống và phản ứng oxi hóa CO diễn ra theo cơ chế phân đoạn. Khi hạ thấp nhiệt độ, tốc độ phân hủy cacbonat giảm nhanh chống. ở nhiệt độ thấp sự hiện diện của oxi trong hỗn hợp phản ứng thúc đẩy việc tạo ra CO2 theo cơ chế liên hợp 2 . 1 cơ chế phân đoạn xảy ra theo hai giai đoạn: (1) tương tác của tác chất với oxi của bề mặt chất xúc tác, (2) phục hồi oxi của bề mặt nhờ tương tác của chất xúc tác với tác nhân oxi hóa 2Cơ chế liên hợp : xảy ra đồng thời giửa hai giai đoạn kể trên.
- Ứng dụng:
Bộ xúc tác 3 chức năng (The Three-way Catalytic Converter) dùng cho động cơ xắng:
Hệ thống này bộ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tac oxi hóa.
Bộ xử lý 3 chức năng là bộ xử lý cho phép xử lý đồng thời CO, HC, NOx. Bởi các phản ứng oxi hóa khử
Một số phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác:
Để xử lí thật triệt để, thật sạch các chất độc, nhiệt độ chất xúc tác phải trên 400 độ C. Ở nhiệt độ đó, các chất xúc tác được kích hoạt hoàn toàn, thúc đẩy quá trình phản ứng hóa học, đưa 3 loại chất thải có độc tố cao thành các chất không độc. Ở lớp khử, NOx bị tách thành khí nitơ và khí ôxi. Sau đó, khí ôxi vừa được tách ra cùng với lượng ôxi dư trong khí thải và ôxi cung cấp thêm, dưới tác dụng của chất xúc tác sẽ ôxi hóa CO và H-C thành các chất không độc như khí nhà kính CO2 và hơi nước.
NOx → N2 + O2
O2 + CO → CO2
O2 + HC → H2O + CO2