Nghiên cứu xúc tác Cu-Fe Sapo 34 cho phản ứng khử NOx chọn lọc với NH3

STATUTORY DECLARATION

ACKNOWLEDGEMENT

TABLE OF CONTENT

LIST OF ABBREVIATIONS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

INTRODUCTION

THE NEW CONTRIBUTION OF THE DESSERTATION

1. CHAPTER 1. STATE OF THE ART

1.1. Nitrogen oxides emission and abatement

1.2. Selective catalytic reduction of NOx with NH3

1.2.1. Overview of the selective catalytic reduction technology

1.2.2. The mechanism of NH3-SCR

1.2.3. Catalysts for NH3-SCR of NOx

1.2.4. Effect of other components in NH3-SCR of NOx

1.2.4.1. Inhibition of water vapor

1.2.4.2. Poisoning by sulfur dioxide

1.2.4.3. Poisoning by alkali metals

1.2.5. Zeolite and silicoaluminophosphate materials

1.2.5.1. Overview of zeolite materials

1.2.5.2. Overview of silicoaluminophosphate materials

1.2.6. Catalysts selection for NH3-SCR of NOx

1.2.6.1. Supports selection for NH3-SCR of NOx

1.2.6.2. Metal-exchange selection for NH3-SCR of NOx

1.2.6.2.1. Iron species as active sites

1.2.6.2.2. Copper species as active sites

1.2.6.2.3. Multimetallic species as active sites

1.3. Scope of the dissertation

2. CHAPTER 2. Synthesis of SAPO-34 support

2.1. Preparation of metal/zeolite catalysts

2.2. NH3-SCR activity test of catalysts

2.3. Catalyst characterization methods

2.3.1. The X-ray diffraction spectroscopy

2.3.2. Inductively coupled plasma - optical emission spectrometry

2.3.3. Flame atomic absorption spectrometry

2.3.4. Field emission scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy

2.3.5. Brunauer – Emmett – Teller surface area analysis

2.3.6. Fourier transformed infrared spectroscopy

2.3.7. Chemisorption temperature-programmed

2.3.8. Solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy

2.3.9. UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy

2.3.10. X-ray photoelectron spectroscopy

2.3.11. Electron paramagnetic resonance

3. CHAPTER 3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. The influence of OSDAs on the formation of SAPO-34 structure

3.2. The influence of silicon sources for SAPO-34 formation

3.3. Copper-iron bimetal ion-exchanged SAPO-34 for NH3-SCR of NOx

3.3.1. Structure and texture of catalysts

3.3.2. Redox and acid properties results

3.3.3. Cu and Fe species onto SAPO-34

3.3.4. A comparison catalysts performance between metals-based SAPO- 34 and metals-based ZSM-5

3.3.5. The stability of SAPO-34 based catalysts

3.3.5.1. Influence of hydrothermal aging on activity

3.3.5.2. Water vapor and SO2 poisoning resistance

3.3.6. Structure-reactivity relationships and active sites

3.3.6.1. in-situ EPR investigations

3.3.6.2. in-situ FT-IR investigations

3.3.7. Proposal NH3-SCR mechanism over Cu-Fe/SAPO-34 catalyst

GENERAL CONCLUSIONS AND OUTLOOK

PUBLICATIONS OF THE DISSERTATION

REFERENCES

APPENDIX A

APPENDIX B

APPENDIX C

APPENDIX D

I. Giới thiệu về xúc tác Cu Fe Sapo 34

Xúc tác Cu-Fe Sapo 34 đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực khử NOx chọn lọc với NH3. Sapo 34 là một loại zeolite có cấu trúc chabazite, nổi bật với khả năng ổn định cao và hiệu suất tốt trong các phản ứng hóa học. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và tối ưu hóa các đặc tính của xúc tác Cu-Fe trên nền Sapo 34 nhằm nâng cao hiệu quả khử NOx. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, việc sử dụng các ion kim loại như Cu và Fe có thể cải thiện đáng kể khả năng khử NOx ở nhiệt độ thấp, từ đó mở rộng ứng dụng của công nghệ này trong các hệ thống kiểm soát ô nhiễm khí thải.

1.1. Tầm quan trọng của việc khử NOx

Khí thải NOx từ các nguồn như động cơ diesel và nhà máy điện là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí. Việc kiểm soát và giảm thiểu khí thải NOx là rất cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Công nghệ khử NOx chọn lọc bằng NH3 (SCR) đã trở thành một giải pháp hiệu quả, nhờ vào khả năng chuyển đổi NOx thành N2 và nước. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin về hiệu suất của xúc tác Cu-Fe mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các loại xúc tác thân thiện với môi trường.

II. Cơ chế phản ứng khử NOx với NH3

Cơ chế phản ứng khử NOx bằng NH3 thông qua xúc tác Cu-Fe Sapo 34 được thực hiện qua nhiều bước. Đầu tiên, NH3 sẽ hấp phụ lên bề mặt xúc tác, sau đó phản ứng với NOx để tạo thành N2. Cơ chế này có thể được mô tả qua hai mô hình chính: Eley-Rideal và Langmuir-Hinshelwood. Trong đó, mô hình Eley-Rideal cho thấy rằng NH3 và NOx có thể tương tác trực tiếp trên bề mặt xúc tác, trong khi mô hình Langmuir-Hinshelwood nhấn mạnh vai trò của các bước hấp phụ và desorption. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp tối ưu hóa các điều kiện phản ứng và cải thiện hiệu suất của xúc tác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của xúc tác Cu-Fe trong phản ứng khử NOx. Nhiệt độ, áp suất, và nồng độ của các thành phần phản ứng đều có vai trò quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng, nhiệt độ tối ưu cho phản ứng thường nằm trong khoảng 200-400 °C, nơi mà xúc tác Cu-Fe thể hiện hiệu suất cao nhất. Ngoài ra, sự hiện diện của hơi nước và các tạp chất như SO2 cũng có thể làm giảm hiệu suất của xúc tác, do đó cần có các biện pháp để kiểm soát các yếu tố này trong quá trình hoạt động.

III. Đặc tính và ứng dụng của xúc tác Cu Fe Sapo 34

Xúc tác Cu-Fe Sapo 34 không chỉ có khả năng khử NOx hiệu quả mà còn thể hiện tính ổn định cao trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, xúc tác này có thể duy trì hiệu suất khử NOx ngay cả khi tiếp xúc với các điều kiện như nhiệt độ cao và độ ẩm. Điều này làm cho Cu-Fe Sapo 34 trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các hệ thống xử lý khí thải từ động cơ diesel. Việc phát triển và tối ưu hóa xúc tác này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

3.1. Tính khả thi trong ứng dụng thực tế

Nghiên cứu về xúc tác Cu-Fe Sapo 34 cho thấy tính khả thi cao trong việc áp dụng vào các hệ thống xử lý khí thải. Với hiệu suất khử NOx tốt và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau, xúc tác này có thể được sử dụng trong các nhà máy điện, xe tải diesel và các ứng dụng công nghiệp khác. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn đáp ứng các quy định về khí thải ngày càng nghiêm ngặt.

Nghiên cứu về xúc tác Cu-Fe Sapo 34 trong phản ứng khử NOx với NH3