3.4.1. Hoạt tính xúc tác của một sốđơn oxit kim loại ở 5000C
Tiến hành chạy phản ứng để kiểm tra hoạt tính oxy hóa muội của một số oxit kim loại trong dòng oxy (5% O2 trong N2), ta thu được kết quả ở bảng 3.3 sau
Bảng 3.3: Hoạt tính của các xúc tác oxit kim loại cho phản ứng oxy hóa muội
Mẫu Độ chuyển hóa (%) Độ chọn lọc CO2 (%) 100% Muội (không có xúc tác) 49,75 68,84
CeO2 đã trộn trước với muội 64,63 88,79
V2O5 đã trộn trước với muội 86,60 83,98
Co3O4 đã trộn trước với muội 57,69 98,33
MnO2 đã trộn trước với muội 59,02 99,31
Độ chọn lọc CO2 của các mẫu muội và xúc tác chính là giá trị trung bình độ chọn lọc CO2 của mẫu trong quá trình chạy phản ứng.
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 69 Từ kết quả ở bảng 3.3 cho thấy, khả năng chuyển hóa muội và độ chọn lọc CO2
của mẫu có xúc tác tốt hơn so với mẫu muội không có xúc tác. Trong đó, hoạt tính oxy hóa muội của V2O5 là tốt nhất nhưng độ chọn lọc CO2 lại không cao. Bên cạnh đó, Co3O4 và MnO2 có khả năng oxy hóa muội thấp hơn nhưng độ chọn lọc CO2 rất cao. Đây là cơ sở để tiến hành nghiên cứu các xúc tác đa oxit với hi vọng các xúc tác này sẽ có hoạt tính oxy hóa muội và có độ chọn lọc CO2 cao trong quá trình nghiên cứu.
Hình 3.22: Khả năng chuyển hóa muội theo thời gian phản ứng của xúc tác đơn oxit kim loại
Đồ thị so sánh khả năng chuyển hóa muội theo thời gian phản ứng của xúc tác đơn oxit kim loại (hình 3.22) cho thấy khả năng chuyển hóa muội ở giai đoạn đầu thay đổi không giống nhau ở mỗi mẫu xúc tác khác nhau. Xúc tác V2O5 có khả năng oxy hóa muội ở giai đoạn đầu cao nhất sau đó giảm nhanh chóng. Tương tự, mẫu 100% muội có lượng muội bị chuyển hóa thấp hơn. Mẫu CeO2 có khả năng chuyển hóa muội ở thời điểm ban đầu kém nhưng sau đó đã nhanh chóng đạt khả năng chuyển hóa tốt. Xúc tác MnO2 và Co3O4 có khả năng chuyển hóa muội tương đối ổn định trong toàn bộ quá trình. Nhìn chung trong cả quá trình, các mẫu có xúc tác có khả năng chuyển hóa muội tốt hơn so với mẫu muội không có xúc tác.
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 70
Hình 3.23: Độ chọn lọc CO2 của xúc tác đơn oxit kim loại oxy hóa muội
Độ chọn lọc CO2 của các xúc tác đơn oxit ít thay đổi theo thời gian thể hiện ở đồ thị 3.23. Các mẫu có xúc tác đều có độ chọn lọc CO2 tốt hơn so với mẫu không có xúc tác. Tuy vậy, xúc tác có khả năng chuyển hóa muội tốt là V2O5 lại có độ chọn lọc CO2
không bằng các xúc tác khác, đặc biệt là xúc tác MnO2 và Co3O4.
3.4.2. Hoạt tính xúc tác của hệ xúc tác 3 thành phần MnO2-Co3O4-V2O5 và MnO2-Co3O4-CeO2 ở 5000C
Một loạt quá trình khảo sát hoạt tính của các hệ xúc tác khác nhau, đã xác định được xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2 tỉ lệ 21-63-16 có khả năng xử lý tốt các thành phần khí thải như CO, NO và C3H6. Vì vậy, xúc tác này được nghiên cứu cho quá trình oxy hóa muội trong dòng oxy (5% trong N2) và so sánh với xúc tác đã được xác định là có khả năng oxy hóa muội tốt là MnO2-Co3O4-V2O5 [41], thể hiện ở bảng 3.4
Bảng 3.4: Hoạt tính của xúc tác đa oxit kim loại cho phản ứng oxy hóa muội
Mẫu Độ chuyển hóa
(%)
Độ chọn lọc CO2
(%) 100% Muội (không có xúc tác) 49,75 68,84 MnO2-Co3O4-V2O5 =28-12-60 trộn với
muội
96,25 79,25
MnO2-Co3O4-CeO2 =21-63-16 trộn với muội
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 71 Kết quả cho thấy, xúc tác MnO2-Co3O4-V2O5 tỉ lệ 28-12-60 xử lý muội gần như hoàn toàn và độ chọn lọc CO2 cũng tương đối cao. Xúc tác xử lý khí thải MnO2- Co3O4-CeO2 tỉ lệ 21-63-16 có khả năng hoạt hóa muội thấp hơn xúc tác MnO2- Co3O4-V2O5 nhưng vẫn cao hơn so với trường hợp mẫu không có xúc tác. Tuy nhiên ưu điểm của xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2 là độ chọn lọc CO2 cao hơn hẳn xúc tác MnO2-Co3O4-V2O5. Kết quả phân tích nhiệt cho thấy xúc tác MnO2-Co3O4-V2O5 có khả năng oxy hóa từ 500-6500C (Tmax = 6130C) còn xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2 có khả năng oxy hóa tử 500 đến trên 7500C (Tmax = 6000C). Mặc dù độ chuyển hóa muội theo tính toán phân tích nhiệt của 2 mẫu xúc tác xấp xỉ nhau, mẫu MnO2-Co3O4-CeO2
kết thúc quá trình oxy hóa muội chậm hơn nhiều. Như vậy xúc tác MnO2-Co3O4- CeO2 có khả năng oxy hóa muội kém hơn xúc tác MnO2-Co3O4-V2O5 , điều này phù hợp với kết quả chạy phản ứng.
Hình 3.24: Khả năng chuyển hóa muội theo thời gian của xúc tác 3 thành phần
Từ đồ thị hình 3.24 biểu diễn khả năng chuyển hóa muội theo thời gian của các xúc tác đa oxit kim loại có thể thấy, xúc tác MnO2-Co3O4-V2O5 có tỉ lệ 28-12-60 có độ chuyển hóa muội rất cao và khá ổn định trong cả quá trình. Đến cuối quá trình oxy hóa, số mol muội chuyển hóa giảm xuống, có thể do muội đã bị oxy hóa gần hết. Xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2 có tỉ lệ 21-63-16 có khả năng chuyển hóa muội ở thời điểm đầu không cao nhưng sau đó thì khả năng chuyển hóa muội khá ổn định, cao hơn so với trường hợp không có xúc tác.
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 72
Hình 3.25: Độ chọn lọc CO2 của xúc tác đa oxit kim loại cho phản ứng oxy hóa muội
Đồ thị độ chọn lọc CO2 của xúc tác đa oxit kim loại cho phản ứng oxy hóa muội ở hình 3.25 cho thấy, độ chọn lọc CO2 của xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2 tỉ lệ 21-63-16 rất cao (xấp xỉ 100%). Bởi vì, xúc tác này tốt cho phản ứng oxy hóa hoàn toàn CO và C3H6 thành CO2. Xúc tác MnO2-Co3O4-V2O5 tỉ lệ 28-12-60 có độ chọn lọc CO2 thấp hơn nhiều, chỉ cao hơn mẫu không có xúc tác một ít.
3.4.3. Hoạt tính của hệ xúc tác 4 thành phần MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5
Trong quá trình nghiên cứu, ta thấy xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2 tỉ lệ 21-63-16 có khả năng xử lý tốt khí thải, oxit V2O5 có khả năng xử lý tốt muội. Vì thế, các thành phần này được kết hợp với nhau với hy vọng được hệ xúc tác mới có khả năng xử lý được cả 4 thành phần trong khí thải động cơ. Kết quả của hệ xúc tác MnO2-Co3O4- CeO2-V2O5 oxy hóa muội được trình bày ở bảng 3.5
Bảng 3.5: Hoạt tính của hệ xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 cho phản ứng oxy hóa muội
Mẫu Độ chuyển hóa
(%)
Độ chọn lọc CO2
(%) 100% Muội (không có xúc tác) 49,75 68,84
V2O5 đã trộn trước với muội 86,60 83,98
MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 =18,9-56,7-14,4- 10 trộn với muội
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 73 MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 =16,8-50,4-12,8-
20 trộn với muội
60,89 85,54
MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 =12,6-37,8-9,6-40 trộn với muội
76,89 73,80
MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 =10,5-31,5-8-50 trộn với muội
74,68 85,01
MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 =6,3-18,9-4,8-70 trộn với muội
59,68 83,38
MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 =2,1-6,3-1,6-90 trộn với muội
68,28 89,37
MnO2-Co3O4-CeO2 =21-63-16 trộn với muội 58,5 99,33
Bảng kết quả (bảng 3.5) cho thấy, hệ xúc tác 4 thành phần MnO2-Co3O4-CeO2- V2O5 có khả năng xử lý muội tốt hơn so với mẫu muội không có xúc tác. Trong đó, mẫu MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 tỉ lệ 12,6-37,8-9,6-40 có khả năng chuyển hóa muội tốt nhất, tốt hơn mẫu MnO2-Co3O4-CeO2 21-63-16. Tuy nhiên, các xúc tác này chuyển hóa muội không bằng mẫu xúc tác V2O5. Theo kết quả phân tích nhiệt, các xúc tác trong hệ MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 có khả năng oxy hóa muội ở nhiệt độ (Tmax=6000C) cao hơn so với mẫu xúc tác V2O5 (Tmax=586,470C). Như vậy, kết quả chạy phản ứng phù hợp với kết quả phân tích nhiệt.
Hình 3.26: Khả năng chuyển hóa muội theo thời gian của hệ xúc tác MnO2- Co3O4-CeO2-V2O5 cho phản ứng oxy hóa
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 74 Đồ thị hình 3.26 biểu diễn khả năng chuyển hóa muội theo thời gian của hệ xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 cho phản ứng oxy hóa cho thấy, trong thời gian đầu xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 tỉ lệ 12,6-37,8-9,6-40 chuyển hóa muội rất tốt nhưng ngay sau đó hoạt tính của xúc tác giảm nhanh. Mẫu xúc tác V2O5 có khả năng chuyển hóa muội ở thời gian đầu thấp hơn so với xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 tỉ lệ 12,6- 37,8-9,6-40 nhưng sau đó thì khả năng chuyển hóa muội ổn định theo thời gian.
Hình 3.27: Độ chọn lọc CO2 của hệ xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 cho phản ứng oxy hóa muội
Độ chọn lọc CO2 của hệ xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 cho phản ứng oxy hóa muội ở hình 3.27 cho thấy, xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 tỉ lệ 18,9-56,7-14,4-10 có khả năng chuyển hóa muội không cao nhưng độ chọn lọc CO2 của xúc tác này là rất cao (98%). Trong khi đó, xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-V2O5 tỉ lệ 12,6-37,8-9,6-40 và xúc tác V2O5 có khả năng chuyển hóa muội tốt hơn thì lại có độ chọn lọc CO2 thấp. Vì vậy, việc lựa chọn xúc tác nào cần phải cân nhắc trên cơ sở mục đích xử lý chính của xúc tác là xử lý muội hay là các thành phần khác trong khí thải.