Hóa học quanh ta
Videoclip Hóa học
Tra cứu Hóa học

(H2N2)-Bài viết kỳ I giới thiệu tổng quan về vấn đề ô nhiễm không khí do giao thông đã đến cập đến nguyên nhân các loại động cơ đốt trong được phát triển theo hướng hoạt động trong điều kiện dư nhiều oxy.  Việc nhiên liệu được đốt trong điều kiện dư oxy sẽ làm tăng hiệu suất cháy nhiên liệu giúp cho động cơ ít hao nhiên liệu hơn. Bên cạnh đó, chúng ta có thể giảm sự phát thải CO, HC và một lợi ích quan trọng nữa là giảm sự phát thải CO2- một thành phần quan trọng gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến những biến đổi khí hậu khó lường cho trái đất. Tuy nhiên, vấn đề khó khăn đặt ra là phải chuyển hóa các oxit nitơ (NOx) về N2 trong điều kiện dư O2. Các bài viết tiếp theo sẽ giới thiệu một số phương pháp có thể xem là khả thi nhất hiện nay để giải quyết bài toán hóc búa này.

Động cơ hoạt động trong điều kiện cháy dư oxy sẽ giúp cho việc tăng hiệu suất đốt nhiên liệu
Các phương pháp xử lý NOx trong điều kiện dư oxy Một số phương pháp với những khả năng xử lý NOx và phạm vi ứng dụng khác nhau sẽ được giới thiệu đến đọc giả mà cụ thể là : Phương pháp khử chọn lọc NOx về N2 có sử dụng xúc tác SCR (selective Catalytic Reduction) Phương pháp bẫy-khử NOx (NOx-trap reduction) Phương pháp phân hủy nhiệt trực tiếp NOx (direct decomposition NOx) Trong phạm vi của bài viết này, tôi sẽ tập trung giới thiệu phần I của phương pháp khử chọn lọc NOx có xúc tác SCR-NOx 1. Phương pháp khử chọn lọc NOx về N2 có sử dụng xúc tác SCR (selective Catalytic Reduction)

Phương pháp này liên quan đến việc tiêm thêm các chất khử vào dòng khí thải trong phạm vi hiện diện của một hệ xúc tác. Vai trò của chất khử tiêm vào và của hệ xúc tác là để khử một cách chọn lọc NOx thành N2 [1].

Phương pháp SCR đã được áp dụng vào các xe bus, xe tải ở châu Âu và đạt được chuẩn EURO V

Hiệu quả của việc khử NOx bằng phương pháp SCR phụ thuộc đồng thời vào hoạt tính của hệ xúc tác và bản chất của chất khử được sử dụng. Những chất khử thường được sử dụng là các hydrocarbon, NH3 hoặc urê (urea). Trong các chất khử này thì NH3 cho thấy khả năng cho độ chọn lọc của sự khử NOx về N2 rất cao và đồng thời cũng cho hiệu suất chuyển hóa rất cao. Chúng ta cũng có thể thấy khi dùng NH3 làm chất khử NOx thì sản phẩm của quá trình không thể là NH3, do đó độ chọn lọc của sự khử NOx ở đây chỉ là giữa N2O và N2 [2].

Cần phải chú ý trong quá trình khử NOx là NO2 luôn là tác nhân hoạt động, NO2 sẽ phản ứng trực tiếp với NH3, trong khi NO sẽ bị oxi hóa một phần thành NO2 và tốc độ của quá trình đạt cao nhất khi tỉ lệ NO : NO2 : NH3 trong hỗn hợp là 1 : 1 : 2.
Trong những kết quả nghiên cứu mới nhất của N. Lê Phúc và đồng nghiệp [3,4,5] cũng cho thấy NH3 có tốc độ khử NOx rất nhanh. Và trong quá trình hoạt động, việc tạo NH3 in-situ (tạo ra trong quá trình phản ứng) và NH3 được tạo ra ngay trên bề mặt xúc tác sẽ cho chúng ta một hiệu suất chuyển hóa NOx rất cao và gần như sản phẩm khử chỉ là N2. Tuy nhiên, việc sử dụng trực tiếp NH3 làm tác nhân khử NOx trong điều kiệ thực tế gần như là không thể do việc lưu trữ NH3 là rất khó khăn. Đó là lí do người ta phải tạo ra NH3 một cách gián tiếp từ phản ứng thủy phân và phân hủy urê, và quá trình tạo NH3 trung gian này cũng làm giảm hoạt tính chuyển hóa NOx [6].
(NH2)2CO + H2O ➔ CO2 + 2H2O

Tuy nhiên, urê không thể được sử dụng dưới dạng tinh chất được do ở trạng thái thông thường thì urê là một chất ở dạng bột và không thể đưa vào hỗn hợp khí thải với một lượng xác định được. Và đó là lí do người ta phải sử dụng urê dưới dạng dung dịch, và một loại dung dịch urê rất nổi tiếng đã được thương mại hóa có tên gọi là AdBlue (dung dịch 32,5% urê).
Ở đây cần nhấn mạnh rằng đối với phương pháp SCR trên cơ sở phản ứng giữa NH3 và NOx thì ta có thể dùng bất kỳ tiền chất nào miễn là nó có thể tạo thành NH3 trong quá trình phản ứng. Ví dụ ngoài urê, ta cũng hoàn toàn có thể dùng ammonium carbamate, hay thậm chí sử dụng các hệ xúc tác có khả năng khử rất mạnh NOx về NH3, chính NH3 này lại là tác nhân để khử tiếp lượng NOx còn lại về N2 [3, 4, 5]
Lắp đặt hệ thống SCR trong xử lý NOx từ động cơ hoạt động trong điều kiện dư oxy (lean-burn và diesel)





Sơ đồ một hệ thống SCR Adblue đã được sử dụng thực tế (Nguồn BOSCH)

Hệ thống SCR-AdBlue nổi bật với các thành phần sau
  • Bình chứa dung dịch AdBlue
  • Thiết bị điện tử để kiểm soát lượng AdBlue tiêm vào. Đây là một thông số cực kỳ quan trọng vì nếu tiêm thiếu AdBlue sẽ dẫn đến thiếu chất khử NH3 cho việc khử NOx. Ngược lại, nếu tiêm quá dư AdBlue sẽ dẫn đến việc dư NH3 và dẫn đến việc ô nhiễm NH3 do NH3 cũng là một tác nhân độc (xem thêm các bài viết của Lê Tiến Khoa về vấn đề ô nhiễm NH3 : [Ô nhiễm NH3]
  • Đầu tiêm Adblue : việc tiêm AdBlue phải đạt được sự tiếp xúc tối đa với bề mặt xúc tác cũng như NOx, việc tiêm một lượng đúng và đủ không tốt vẫn có thể dẫn đến hiện tượng NH3 slip (NH3 tiêm vào và đi ra, không tiếp xúc với các nguồn NOx)
  • Hệ xúc tác SCR
  • Một đầu dò NOx ở đầu ra của xúc tác để biết được hàm lượng NOx trước khi thải ra ngoài
Thực tế mong muốn có thể tiêm một hàm lượng đúng của Adblue để khử NOx là gần như không thể, do đó hiện nay các nhà khoa học đã phát triển theo hướng tiêm dư AdBlue để chắc chắn có dư NH3 cho việc khử NOx, sau đó, người ta gắn thêm một hệ xúc tác chỉ để oxy hóa một cách chọn lọc NH3 dư này thành N2.

Sơ đồ hệ thống SCR hiện đại nhất hiện nay có thể đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn EURO 5 (Nguồn BOSCH)

Như vậy với hệ thống ở hình trên, chúng ta thấy hệ thống xúc tác bao gồm đến 4 hệ xúc tác (thực tế có thể là 5 đối với động cơ diesel)

  • Hệ xúc tác đầu tiên (hệ V) nhằm oxy hóa NOx thành NO2 và cũng giúp quá trình oxy hóa các tác nhân độc hại do quá trình cháy không hoàn toàn như CO, HC.

  • Hệ thứ 2 là hệ xúc tác giúp cho sự thủy phân urê thành NH3 được thuận lợi (hệ H)

  • Hệ thứ 3 là hệ xúc tác chính SCR-NOx bằng NH3 (hệ S)

  • Hệ cuối cùng là hệ xúc tác cho phản ứng oxy hóa NH3 dư thành N2

Như chúng ta cũng thấy, do phải thêm một bình chứa dung dịch AdBlue cùng hệ thống điện tử khá phức tạp nên phương pháp SCR-NOx hiện nay hầu như chỉ phù hợp với các phương tiện cỡ lớn như xe tải, xe bus..  

Ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ bàn về bản chất của các hệ xúc tác này

TS. Lê Phúc Nguyên (nhóm Ichem)

Nguồn Cyberchemvn.com

(Tiêu đề do H2N2 đặt lại)

[1] Yuhai Hu, Keith Griffiths, Peter R. Norton, “Surface science studies of selective catalytic reduction of NO: Progress in the last ten years”, Surface Science, 603 (2009), 1740-1750.

[2] H. Bosch, F. Janssen, Catalytic reduction of nitrogen oxides—a review on the fundamentals and technology, Catal. Today 2 (1988) 369–529. [3] N. Le Phuc, X. Courtois, F. Can, S. Berland, S. Royer, P. Marecot, D. Duprez, “A study of the ammonia selectivity on Pt/BaO/Al2O3 model catalyst during the NOx storage and reduction process”,  Catalysis Today, In Press, Corrected Proof, Available online 27 November 2010

[4] N. Le Phuc, X. Courtois, F. Can, S. Royer, P. Marecot, D. Duprez, “NOx removal efficiency and ammonia selectivity during the NOx storage-reduction process over Pt/BaO(Fe, Mn, Ce)/Al2O3 model catalysts. Part II: Influence of Ce and Mn–Ce addition”, Applied Catalysis B: Environmental, Volume 102, Issues 3-4, 22 February 2011, Pages 362-371

[5] N. Le Phuc, X. Courtois, F. Can, S. Royer, P. Marecot, D. Duprez, “NOx removal efficiency and ammonia selectivity during the NOx storage-reduction process over Pt/BaO(Fe, Mn, Ce)/Al2O3 model catalysts. Part I: Influence of Fe and Mn addition”, Applied Catalysis B: Environmental, Volume 102, Issues 3-4, 22 February 2011, Pages 353-361

 

Hits smaller text tool iconmedium text tool iconlarger text tool icon

Comments powered by H2N2

Tin liên quan:
Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

DANH MỤC TÀI LIỆU

Vấn đề khử NOx trong điều kiện dư nhiều oxi