Xúc tác được sử dụng cần có hoạt tính oxi hóa đối với muội khí thải nhằm đưa nhiệt độ oxi hóa muội về nhiệt độ của khí thải động cơ. Một xúc tác như vậy phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Có độ bền hóa nhiệt cao
- Có hoạt tính xúc tác đủ cao để quá trình đốt cháy muội diễn ra càng sớm càng tốt - Có khả năng cực đại hóa các điểm tiếp xúc giữa xúc tác và muội mà không làm tăng nhiều trở lực đối với dòng khí thải.
Hoạt tính oxi hóa muội của xúc tác phụ thuộc nhiều vào mức độ tiếp xúc giữa xúc tác và muội. Có hai kiểu tiếp xúc thường được sử dụng nghiên cứu:
- Tiếp xúc chặt chẽ (tight contact): thực hiện nhờ nghiền trộn hỗn hợp xúc tác và muội trong cối mã não
- Tiếp xúc lỏng lẻo (loose contact): kiểu tiếp xúc tương tự với thực tế tiếp xúc trong bộ phận khí thải
Hoạt tính oxi hóa muội của xúc tác ở trạng thái tiếp xúc lỏng lẻo luôn nhỏ hơn so với khi được nghiền trộn kỹ.
Có nhiều hệ xúc tác đã, đang được nghiên cứu sử dụng để xử lý muội cacbon trong động cơ diesel; chủ yếu là các hệ xúc tác dựa trên oxit các kim loại nhóm sắt, platin hoặc kim loại chuyển tiếp.
1.7.1. Xúc tác trên cơ sở kim loại quý
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào xử lý khí thải động cơ với 3 thành phần chính là NOx, CO và HC. Bên cạnh đó cũng có một số nghiên cứu về xử lý muội cacbon ở khí thải động cơ, chủ yếu là động cơ diesel. Thông thường, xúc tác dùng để oxy hóa muội cacbon cũng xử lý được một lượng đáng kể CO và NOx trong khí thải. Xúc tác được nghiên cứu tập trung vào các kim loại quý như Pt, Pd, Rh. Độ chuyển hóa khí thải khi sử dụng loại xúc tác này cao (xúc tác có thể xử lý được khoảng 80% CO, gần 100% NO và 90% hydrocacbon) ở nhiệt độ 4000C [33]. Cụ thể là xúc tác Pt/Al2O3 có bề mặt riêng là 105m2/g [9].
Các nhà khoa học Pháp cũng đã nghiên cứu và tổng hợp thành công xúc tác 4 chức năng có khả năng xử lý được NOx, CO, HC và muội cacbon. Thành phần chính của
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 32 xúc tác là Pt và Rh được mang trên chất mang là Al2O3, ZrO2 với TiO2, CeO2. Xúc tác này có khả năng khử NO thành NO2 trên Pt và lưu giữ NO2 lại để oxy hóa muội cacbon thành CO2 [21].
1.7.2. Xúc tác trên cơ sở perovskite
Các oxit loại perovskite đã được biết đến với hoạt tính oxi hóa rất tốt, hứa hẹn một khả năng trở thành xúc tác hiệu quả trong quá trình oxi hóa của muội [24]. Perovskite có công thức chung là ABO3. Có rất nhiều khả năng chọn lựa các cation phù hợp ở cả vị trí A và B, tạo cho xúc tác kiểu perovskite tính linh động về thành phần hóa học. Song nhược điểm của xúc tác perovskite là bị ngộ độc với SO2 .
1.7.3. Xúc tác có chứa muối kim loại kiềm
Hệ xúc tác có chứa muối kim loại kiềm cũng là một trong những hệ xúc tác đang được nghiên cứu rộng để oxi hóa muội, như hệ: KCl/CuO, hệ KNO3/ZrO2... [29] và chúng đều thể hiện hoạt tính tốt. Điều này có thể được giải thích nhờ mối liên hệ giữa độ linh động, nhiệt độ nóng chảy và áp suất riêng phần của xúc tác với khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và muội. Các muối kim loại kiềm đều có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ oxi hóa của muội. Khi nóng chảy, xúc tác trở nên linh động hơn nhờ hiện tượng vận chuyển pha khí, tăng khả năng hấp phụ oxi lên bề mặt xúc tác, từ đó tăng hoạt tính oxi hóa muội.
1.7.4. Xúc tác trên cơ sở oxit kim loại a. Xúc tác đơn oxit
Phản ứng cháy của muội khí thải diesel đã được nghiên cứu với hàng loạt các xúc tác oxit kim loại khác nhau, như: CuO, Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, SiO2, MoO3, Co3O4, MnO2, PbO, V2O5, La2O3...
Hoạt tính xúc tác của các oxit nói chung đều giảm rất nhiều khi tiến hành nghiên cứu ở trạng thái tiếp xúc lỏng lẻo so với khi được tiếp xúc kiểu chặt chẽ. Duy chỉ đối với CuO, MoO3, V2O5, hoạt tính oxi hóa muội có giảm nhưng giảm không đáng kể [29].
Nguyễn Thị Ái Nghĩa 33
b. Xúc tác đa oxit
Bên cạnh đó, người ta còn nghiên cứu về đặc tính của xúc tác CoMgAlO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Khả năng xử lý muội cacbon của xúc tác này tương đối tốt. Khi thêm K vào xúc tác CoMgAlO thì làm tăng tốc độ đốt cháy muội và nhiệt độ cao nhất để chuyển hóa muội cacbon ít nhất giảm 500C. Hơn nữa, nhiệt độ phản ứng ở 500-7000C tạo điệu kiện để khí NOx phản ứng với muội cabon, làm giảm một lượng đáng kể NOx. Xúc tác ở 6000C cho khả năng xử lý muội cao nhất và làm giảm khí NOx tối đa là 32%, đó là do tính tiếp xúc cao và tương tác mạnh mẽ của bề mặt nguyên tử K/Co [16].
Các nhà khoa học của Italia cũng đã nghiên cứu và tổng hợp thành công xúc tác K- và Cs-FeV/Al2O3 đốt cháy muội cacbon cho xử lý khí thải động cơ diesel. Xúc tác này được điều chế theo phương pháp đồng kết tủa. Qua khảo sát ban đầu cho thấy, xúc tác này khá ổn định ở nhiệt độ cao(300-7000C) và bền với lưu huỳnh(khí SO2) [20].
Ngoài ra, còn có rất nhiều nghiên cứu về các hệ xúc tác khác nhau như: Mn-Co, Co-Mg/Al, Ce0,55ZrO0,35Y0,05La0,05O2,…cũng cho kết quả khả quan về xử lý khí thải [17, 38].