NO til NO2 oksidasjon over koboltoksider på bærere

Abstract

Flertallet av salpetersyrebehovet går til produksjon av ammoniumnitrater, som brukes i produksjon av gjødsel. Produksjon av salpetersyre benytter Ostwald prosessen, hvor en av de tre reaksjonstrinnene er oksidasjonen av NO til NO2. Dette reaksjonstrinnet er en homogen gassfasereaksjon, som ikke er katalysert. Innføring av en egnet, kostnadseffektiv katalysator kan mulig øke produksjonsraten, oppnå en mer effektiv varme gjenopprettingssystem og redusere kapitalkostnadene til prosessen. Tidligere studier har vist at koboltoksider (Co3O4) har lovende aktivitet for NO oksidasjon ved tresifret ppm nivå av NO. Målet med denne oppgaven var å undersøke koboltoksider på bærere for NO oksidasjon i Ostwald prosessen ved industrielle forhold (10% NO, 6% O2, 15% H2O, resten Ar, T = 350 °C) ved atmosfærisk trykk.

Det var 15 katalysatorer som ble fremstilt ved ”incipient wetness impregnation” med vektprosent 5, 10 og 20wt%Co på Al2O3, TiO2, SiO2, CeO2 og ZrO2. I tillegg ble det fremstilt to Al2O3 promoterte katalysatorer: 20wt%Co-0.5wt%Pt/Al2O3 og 20wt%Co-5wt%K/Al2O3. Karakteriseringsteknikkene som ble brukt var som følger: Nitrogen adsorpsjon/desorpsjon, røntgendiffraksjon (XRD) og temperaturprogrammert reduksjon (TPR). Aktivitetsmålinger ble utført i en reaktor med GHSV = 43400 1/h. NO omsetning ble målt i temperaturområdet 150-450 °C ved atmosfærisk trykk, både i tørre og våte forhold. En sekvens av tørr-våt-tørr forhold ble kjørt ved 350 °C for å stabilitets teste katalysatorene.

I fravær av vann økte den katalytiske aktivitet ettersom koboltmengden ble øket. Ved tørre forhold ved 350 °C var reaksjonsraten 5.5 μmol/s⋅g for 20Co/Al2O3, 5.1 μmol/s⋅g for 20Co/TiO2, 10.9 μmol/s⋅g for 20Co/SiO2, 12.7 μmol/s⋅g for 20Co/CeO2 og 13.0 μmol/s⋅g for 20Co/ZrO2. Når damp ble introdusert, reduserte NO omsetningen over katalysatorene på grunn av den inhiberende effekten av vann. Den katalytiske aktiviteten økte med koboltmengde i våte betingelser for katalysatorene med bærere på Al2O3, TiO2 og SiO2. Ved våte betingelser ved 350 °C var reaksjonsraten 1.6 μmol/s⋅g for 20Co/Al2O3, 1.2 μmol/s⋅g for 20Co/TiO2 og 2.5 μmol/s⋅g for 20Co/SiO2. Koboltoksider på ceria bærere var uavhengig av koboltmengden under våte betingelser, hvor 5 og 20wt%Co hadde en reaksjonsrate på 5.7 μmol/s⋅g. En lignende trend ble observert for koboldoksider på zirkonia bærere, hvor 5 og 20wt%Co hadde en reaksjonsrate på henholdsvis 4.6 μmol/s⋅g og 5.0 μmol/s⋅g. Aktiviteten over de promoterte katalysatorene gav ingen markant økning i NO oksidasjonen. Resultatene indikerer at koboltoksider på ceria bærer med lav koboltmengde har potensial til å være en egnet, kostnadseffektiv katalysator for NO oksidasjon i Ostwald prosessen ved industrielle forhold i salpetersyreproduksjon.