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Entwicklung und Anwendung einer Technologie zur Untersuchung der chemischen Desaktivierung von SCR-Katalysatoren durch anorganische Gifte

Klimczak, Margarete :
Entwicklung und Anwendung einer Technologie zur Untersuchung der chemischen Desaktivierung von SCR-Katalysatoren durch anorganische Gifte.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung und Anwendung einer Technologie zur Untersuchung der chemischen Desaktivierung von SCR-Katalysatoren durch anorganische Gifte
Language: German
Abstract:

Stickoxide, erzeugt im Verbrennungsraum der Automobilmotoren, stellen ein ernstes Problem dar, denn sie sind vorwiegend für die Luftverschmutzung verantwortlich. Hohe Mengen an NOx schädigen die Umwelt, indem sie sauren Regen und Abbau der Ozonschicht verursachen. Diese Probleme führen zur kontinuierlichen Senkung der erlaubten NOx-Konzentrationen, die in den EU-Richtlinien vorgeschrieben sind. Die selektive katalytische Reduktion der Stickoxide mittels Ammoniak (NH3-SCR)weist dabei ein hohes Potential auf, künftige NOx-Grenzwerte in Dieselmotoren einzuhalten. Allerdings weisen Katalysatoren mit zunehmender Laufzeit eine abnehmende Aktivität auf, die auf die im Abgas enthaltenen Komponenten zurückzuführen sind, die sich auf dem Katalysator ablagern. Hierbei ist der Einfluss der Komponenten Phosphor, Schwefel, Zink, (Erd-)Alkalimetalle, Chrom und Kupfer von bedeutendem Interesse, denn diese werden als Verunreinigungen im Biodiesel (K, Na, P) und Harnstofflösung (K, Na, Ca, Mg), als Motoröladditiv (Zn, P, S) oder durch Motorabrieb (Cr, Cu) in das katalytische Abgasnachbehandlungssystem eingebracht.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss dieser Komponenten auf die katalytische Aktivität und Selektivität eines V2O5-WO3/TiO2-Katalysators im Zuge der NH3-SCR-Reaktion untersucht. Die Katalysatoren wurden bei den Vergiftungsexperimenten durch Imprägnierung und Aerosole mit entsprechenden potentiellen Giften beladen. Die Vergiftung durch Aerosole erforderte die Entwicklung und den Aufbau von Apparaturen zur Aerosolvergiftung und zur Testung aerosolvergifteter Katalysatoren. Neben der Untersuchung der Einflüsse der Einzelkomponenten erfolgten Untersuchungen der Einflüsse von Katalysatorgiftkombinationen mittels Design of Experiments (DoE) im Falle imprägnierter Katalysatoren. Unterschiedliche Charakterisierungsmethoden wurden durchgeführt, um einen Einblick in den Desaktivierungsmechanismus zu erhalten. Hierbei zeigte sich eine starke Vergiftungswirkung der Alkalimetalle, die bei bereits geringen Konzentrationen deutlich wurde. Dies wurde auf eine verminderte NH3-Speicherfähigkeit der vergifteten Katalysatoren zurückgeführt. Dieser Effekt konnte durch eine simultane Aufbringung von Phosphaten und Sulfaten infolge einer Regenerierung der NH3-Speicherfähigkeit abgeschwächt werden. Phosphat fungierte hingegen als eine weitere stark desaktivierende Komponente. Hierbei wurde ein Aktivitätsverlust allerdings nur bei hohen Phosphorkonzentrationen auf dem Katalysator aufgrund einer verringerten BET-Oberfläche beobachtet. Chrom und Kupfer waren moderate Katalysatorgifte. Ihr negativer Einfluss auf die Katalysatorperformance lag in der erhöhten N2O-Bildung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Nitrogen oxides in exhaust gases from combustion of fossil fuels are a main source for air pollution. High levels of NOx lead to environmental damages, caused by acid rain and ozone depletion. These environmental problems have resulted in a continous decrease of the allowed NOx concentrations by introduction of stringent emission regulations. Hereby, the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia (NH3-SCR) is considered as the technology with the highest potential to meet strict future diesel emissions standards in mobile applications. But catalysts aged in mobile application show deposits of different inorganic components resulting in a reduced catalytic performance. Therefore, the influence of phosphorus, sulfur, zinc, alkaline- and alkaline earth metals, chromium and copper on the catalytic activity and selectivity of a V2O5-WO3/TiO2 catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia is of high interest and was studied. These components are put through a catalytic aftertreatment system of a diesel engine as impurities of biodiesel (K, Na, P) and urea solution (K, Na, Ca, Mg), lubricant oil additives (Zn, P, S) and abrasion of the engine (Cr, Cu). The catalysts were exposed to potential poisons by wet impregnation or deposition of inorganic aerosol particles. The second approach required development and construction of apparatus for catalyst poisoning by aerosols and testing of these poisoned catalysts. Hereby, the effects of single catalyst poisons were investigated. Furthermore, the influence of combinations of poisons using Design of Experiments (DoE) was determined in case of impregnated catalysts. Different characterization methods were carried out to gain insight into the mechanism of deactivation. Both impregnation and aerosol deactivated catalysts showed a strong poisoning effect of alkaline metals due to a reduced ammonia adsorption capacity. A strong deactivation was obvious already at low poison concentrations. This effect could be weakend by a simultaneous doping of phosphates or sulphates; a regeneration of the ammonia adsorption capacity was observed. Phosphate was a further strong deactivating component. In that case an activity loss was only observed when high phosphorus concentrations were present on the catalyst. This was attributed to a reduced BET surface of the catalyst. Chromium and copper were moderate catalyst poisons but had the ability to increase the N2O production.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 30 Jun 2010 09:07
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22181
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Claus, Prof. Dr. Peter and Busch, Prof. Dr. Markus
Refereed: 10 May 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2218
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