Effect of hydrocarbons on the ammonia selective catalytic reduction of nitrogen oxides under typical diesel engine exhausts conditions over copper-based zeolites

Abstract

ABSTRACT: The use of diesel engines is growing due to their advantages over the gasoline engines, but they increase nitrogen oxides (NOX) emissions. The ammonia selective catalytic reduction (NH3-SCR) with Cu-based zeolites is the most promising and studied technique for the abatement of NOX. However, research under more realistic conditions, such as including hydrocarbons on the simulated gas, needs to be studied deeply. We selected Cu-ZSM-5, Cu-SSZ-13, and Cu-SAPO-34 (three of the most successful and investigated catalysts in the NH3-SCR of NOX) to perform a series of experiments regarding the effect of propylene and dodecane (two hydrocarbons that can be present in diesel exhausts) on the NH3-SCR of NO and adsorption of NH3. We synthesized the catalysts by ion exchange and confirmed their structure by X-ray diffraction. We found that both propylene and dodecane reduced the amount NH3 adsorbed on the catalysts. Also, we determined that experiments of temperature-programmed desorption of NH3 of Cu-ZSM-5 and Cu-SAPO-34 saturated with propylene changed the parameters of the desorption kinetic of the catalysts, and mainly affected the acid sites that not concern copper. We confirmed that dodecane (a long-chain hydrocarbon) affected the performance of Cu-SSZ-13 (a small-pore zeolite) on the NH3-SCR and NH3oxidation. Finally, we found that the hydrocarbons decreased the activation energy and changed the parameters of a power-law kinetic of Cu-ZSM-5 and Cu-SSZ-13 in the NH3-SCR of NO.

RESUMEN: El uso de motores diésel está creciendo debido a sus ventajas sobre los motores a gasolina, pero aumentan las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOX). La reducción catalítica selectiva con amoniaco (NH3-RCS) utilizando zeolitas basadas en cobre es la técnica más prometedora y estudiada para la reducción de NOX. Sin embargo, su investigación bajo condiciones más reales, como la inclusión de hidrocarburos en el gas simulado, necesitan ser estudiadas profundamente. Se seleccionaron Cu-ZSM-5, Cu-SSZ-13 y Cu-SAPO-34 (tres de los catalizadores más exitosos e investigados en la NH3-RCS deNOX) para desarrollar una serie de experimentos concernientes al efecto del propileno y el dodecano (dos hidrocarburos que pueden estar presentes en exhostos de motores diésel) en procesos relacionados con la NH3-RCS de NOX. Los catalizadores se sintetizaron por intercambio iónico y su estructura fue corroborada por difracción de rayos X. Se encontró que tanto el propileno como el dodecano redujeron la cantidad de amoniaco desorbida en los catalizadores, la cual es una etapa muy importante para que la reacción de NH3-RCS ocurra. Además, se determinó que experimentos de desorción a temperatura programada de amoniaco de Cu-ZSM-5 y Cu-SAPO-34 saturados con propileno cambia los parámetros de la cinética de desorción de ambos catalizadores y principalmente afecta los sitios ácidos no relacionados con cobre. Se encontró que el dodecano (un hidrocarburo de cadena larga) afecta el desempeño la Cu-SSZ-13 (una zeolita de poro pequeño) en la NH3-RCS de NO y en la oxidación de NH3. Finalmente, se encontró que los hidrocarburos disminuyeron la energía de activación y cambiaron los parámetros de una cinética de ley de potencias de la Cu-ZSM-5 y la Cu-SSZ-13 en la reacción de NH3-RCS de NO.