Reducción catalítica selectiva de óxidos de nitrógeno con metano sobre catalizadores zeolíticos – 1º Parte

En los últimos años, se han incrementado los esfuerzos por encontrar soluciones al problema de la eliminación de óxidos de nitrógeno (NOx) en fuentes móviles y estacionarias, ya que estos gases son contaminantes atmosféricos que contribuyen a la formación de la lluvia ácida y de la niebla tóxica fotoquímica.

La reducción catalítica selectiva (RCS) usando amoníaco como agente reductor es la tecnología disponible actualmente para la remoción de NOx en muchas plantas de potencia y operaciones de la industria química. Sin embargo, existe un interés renovado de reemplazar el amoníaco por gas natural u otros hidrocarburos, debido a que el amoníaco es más costoso y presenta problemas de almacenamiento y manejo. Además, se requiere un sistema de control sofisticado para evitar el desprendimiento de este compuesto a la atmósfera. En muchas plantas de potencia instaladas recientemente, el combustible más comúnmente empleado es el gas natural, el cual, es abundante y se encuentra fácilmente disponible en muchas partes del mundo.

La tecnología denominada “lean NOx”, esto es, la reducción catalítica selectiva de NOx en exceso de oxígeno usando hidrocarburos como agentes reductores, se encuentra en etapa de desarrollo. Esta tecnología no sólo sería aplicable en fuentes estacionarias, sino también en fuentes móviles. En éste último caso, se favorecería la implementación de motores que operan con mayor eficiencia en el uso del combustible. Esto conduciría a una disminución de las emisiones globales de CO2, causantes del efecto invernadero, y al mismo tiempo se evitarían las emisiones de NOx, CO e hidrocarburos.

En el campo de la catálisis, las zeolitas han sido unas de las más interesantes familias de materiales desarrolladas con gran impacto en la industria química y petroquímica.

Adicionalmente, el descubrimiento [1] de la RCS de NOx con hidrocarburos en exceso de oxígeno involucró el uso de zeolitas, siendo la zeolita ZSM-5 intercambiada con cobre (Cu-ZSM-5), el material más estudiado. No obstante, la actividad, selectividad y estabilidad térmica todavía no son aceptables para uso comercial. La reducción catalítica selectiva de NOx con hidrocarburos sobre catalizadores zeolíticos podría encontrar aplicación en sistemas de combustión donde las condiciones son menos severas. Por ejemplo, en el tratamiento de fuentes estacionarias, donde el contenido de vapor de agua es relativamente bajo, y en el tratamiento de las emisiones de motores diesel, donde las temperaturas son mas bajas que en motores de gasolina.

Es de anotar que Cu-ZSM-5 es más reactiva con hidrocarburos de dos o más carbonos siendo poco activa con metano, el principal componente del gas natural. Li y Armor [2] fueron los primeros en reportar que la zeolita Na-ZSM-5 intercambiada con cobalto (Co/Na-ZSM-5) es muy activa para la RCS de NOx con metano. Posteriormente, se han reportado varios catalizadores activos para esta reacción. En este documento se presenta una revisión bibliográfica sobre la RCS de NOx con metano en exceso de oxígeno con catalizadores zeolíticos. Esta reacción sería aplicable en vehículos que operan con gas natural y exceso de aire, así como en centrales generadoras de potencia, calderas industriales y otros procesos de combustión.

El 95% de las emisiones de NOx en sistemas de combustión corresponden a NO. Desde el punto de vista termodinámico, este compuesto es inestable:

Sin embargo, la reacción de descomposición se inhibe debido a la alta energía de activación, la cual, es de 364 KJ/mol [3]. Además, a pesar de que el NO posee un electrón desapareado, presenta gran estabilidad. El orden del enlace N-O es de 2.5 [4]. Por lo tanto, se requiere un catalizador para bajar la energía de activación y debilitar el enlace N-O a fin de facilitar la descomposición. Desafortunadamente, los sistemas más activos para la descomposición de NO son inhibidos por el oxígeno contenido en los gases de alimentación o desprendido en la descomposición. Para remover el oxígeno superficial se requieren altas temperaturas de reacción y/o gases reductores. Por estas razones, se ha encontrado más viable la reducción catalítica selectiva con agentes reductores. Cuando el agente reductor es metano la reacción es:

En la reducción catalítica selectiva, una mol de metano reacciona por cada mol de nitrógeno formado, mientras que la reducción no selectiva conduce a la oxidación de metano sin la producción de nitrógeno. Entre los factores a considerar en la selección de un catalizador efectivo se encuentran: actividad, selectividad, estabilidad térmica y resistencia a la inhibición o envenenamiento por los productos presentes en los gases de salida de los tubos de escape y chimeneas, tales como H2O y SO2.

Luis Alberto Ríos, Felipe Bustamante L., Luis Fernando Córdoba C., Liliana Castro R. y
Consuelo Montes de Correa.
Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Antioquia
A.A. 1226, Medellín, Colombia.
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