Desarrollo de papeles cerámicos catalíticos aplicados a catálisis ambiental

Abstract

El presente trabajo de tesis se basa en el desarrollo de soportes catalíticos flexibles, como una alternativa novedosa a las estructuras rígidas más usadas en la actualidad: monolitos o esponjas y su aplicación para reacciones de interés ambiental.El eje radica en elaborar, con una técnica tradicional de fabricación de papel celulósico, papeles de fibras cerámicas resistentes a altas temperaturas (800-1000°C). Para ello, se prepara una suspensión a partir de una solución de NaCl, que regula la fuerza iónica del medio, agregando fibras cerámicas de SiO2-Al2O3 y dos polielectrolitos: uno aniónico y otro catiónico, los cuales a través de un efecto dual favorecen la formación de flóculos y mejoran la retención de componentes en la mata fibrosa. Por otra parte se agrega una pequeña fracción de fibras celulósicas para formar un entramado que ayude a la formación de la hoja en húmedo.El método requiere además del agregado de un ligante que mejore las propiedades mecánicas de los papeles cerámicos. Se abordó el estudio del ligante adecuado, el cual se buscó que fuese un producto natural y disponible en nuestro país. A partir del material de cantera provisto por una empresa del norte argentino se obtuvieron diferentes tipos de boratos, los cuales poseen una temperatura de transición vítrea en la cual el ligante se ablanda y cuando enfría solidifica, uniendo las fibras cerámicas. La temperatura de transición vítrea se alcanza durante la calcinación del papel, donde además se queman las fibras celulósicas, resultando una matriz de fibras cerámicas unidas por el ligante, altamente porosa.Una vez obtenidos los papeles cerámicos, se incorporaron diferentes sistemas catalíticos para poder aplicarlos a procesos de catálisis ambiental. La fase activa se agregó directamente en la suspensión de preparación del papel o sobre el papel ya obtenido, tanto mediante impregnación por goteo de una solución precursora como por el método de spray seco. En todos los casos, una segunda etapa de calcinación permitió obtener los óxidos correspondientes y anclar las partículas catalíticas al soporte.Los papeles cerámicos catalíticos se aplicaron a dos tipos de reacciones de interés medioambiental. Por un lado, la reacción de oxidación de CO en fase gas para testear el desempeño de los mismos expuestos a una corriente gaseosa, para la cual se prepararon papeles cerámicos con zeolita NaY intercambiada con Pt. La segunda aplicación, combustión de hollín diésel, se trata de una reacción heterogénea sólido-gas y apunta al desarrollo de filtros de partículas puesto que la elevada tortuosidad de los papeles cerámicos otorga capacidad para filtrar partículas en una corriente gaseosa.El efecto nocivo de los gases generados por motores de combustión interna y expulsados por los caños de escape, sobre el medio ambiente y la salud humana, son bien conocidos y en consecuencia las legislaciones para regular su emisión cada vez más exigentes.Para la combustión de hollín diésel se incorporaron fases catalíticas de Co,Ba; Co,La; Co,Ce y Co,Ba,K. Los papeles cerámicos catalíticos se impregnaron con una suspensión de hollín en n-hexano preparada en el laboratorio y se evaluaron catalíticamente en un equipo de oxidación a temperatura programada (TPO), con una corriente de alimentación compuesta por NO y O2 diluidos en He.Con el objeto de exponer los papeles preparados al funcionamiento real de un motor, se montó un banco de pruebas en conjunto con profesores de distintos Talleres de la Escuela Industrial Superior anexa a la Facultad de Ingeniería Química (UNL). Los filtros catalíticos se alojaron en una carcasa metálica diseñada para contener 8 papeles cerámicos de 11 x 11 cm. Se evaluó la capacidad de filtración y la resistencia mecánica de los mismos al ser expuestos a condiciones reales de aplicación. Se tomaron muestras de los papeles cerámicos catalíticos que contenían el hollín proveniente del funcionamiento del motor y se evaluaron catalíticamente en el equipo de TPO. Así se comparó la actividad de los mismos para la oxidación del hollín real y del hollín preparado en laboratorio, diferentes en contenido de hidrocarburos adsorbidos y porcentajes de carbón amorfo y grafítico.