Il monolite al Pt

Il catalizzatore monolitico a base di platino e metalli del gruppo del platino, depositati, in forma finemente suddivisa su un supporto ceramico a nido d'ape.

Il catalizzatore è impiegato per l'abbattimento catalitico di solventi e odori negli effluenti gassosi, con recupero energetico, è stato fornito dalla ditta E.T.S. Metalli Preziosi di Milano (Salemi, 2008).

Infatti, esso facilita la reazione tra l'ossigeno dell'aria e le sostanze organiche, maleodoranti o causa di nocività, contenute nell'effluente gassoso da depurare.

Utilizzando il catalizzatore, la reazione di ossidazione può essere condotta a una temperatura generalmente compresa tra 200°C e 400°C, in funzione delle sostanze da abbattere.

La struttura a celle aperte del catalizzatore monolitico rende irrilevanti le perdite di carico del flusso gassoso attraverso il letto catalitico. Mediante il catalizzatore si raggiungono altissime efficienze di abbattimento (vicine al 100%) dei composti organici

ossidati ad anidride carbonica e acqua, e vengono efficacemente ed economicamente depurate portate gassose che spaziano da pochi Nm³/ora fino a diverse decine di migliaia di Nm³/ora. La temperatura di esercizio per la combustione catalitica con catalizzatore è considerevolmente inferiore (circa la metà) rispetto all'ossidazione a fiamma diretta, consentendo una notevole riduzione del consumo di combustibile. La vita media riscontrata, nella generalità delle installazioni effettuate con catalizzatore è di 5-7 anni con funzionamento continuo.

Caratteristiche del catalizzatore

Il monolita, ossia il supporto del catalizzatore strutturato, è costituito da una struttura in materiale ceramico, caratterizzato da una serie di canali regolari e paralleli al flusso di gas che li investe.

Figura 4.4 Foto del monolite utilizzato nei test condotti in laboratorio.

Il catalizzatore, su cui sono stati realizzati gli esperimenti, è stato avvolto in un sottile strato di lana di roccia avente lo scopo sia di bloccare il catalizzatore all‟interno del tubo al quarzo, nei pressi del punto più caldo del reattore, sia di limitare il flusso di gas attraverso la zona esterna del catalizzatore e conseguente bypass della reazione catalitica.

L‟elevata superficie offerta al flusso gassoso rende il catalizzatore monolitico particolarmente adatto alla combustione catalitica di elevate portate di gas. Il supporto, sul quale è disperso il principio attivo del catalizzatore, è indialite (Mg2Al4Si5O18), composto a base di ossidi di magnesio, silicio e alluminio.

L‟indialite ha la stessa formula chimica della cordierite, ma presenta una struttura differente. La cordierite ha una struttura ortorombica, mentre l‟indialite è la forma di

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alta temperatura della cordierite, ha una struttura esagonale e presenta una maggior casualità della distribuzione dei siti dell‟Al e del Si.

La cordierite è un silicato con struttura simile a quella del berillo: la modificazione di bassa temperatura, di struttura ortorombica contiene anelli a sei tetraedri. Ogni anello è legato ad anelli simili attraverso due dei quattro ossigeni di ciascun tetraedro, per formare colonne di anelli che racchiudono ampi canali vuoti. Le colonne così formate sono legate fra loro a formare un‟impalcatura esagonale mediante ioni Al e Mg in coordinazione ottaedrica.

Figura 4.5Geometria del monolite al platino.

Il supporto d‟indialite possiede le seguenti caratteristiche:

 resistenza allo shock termico ottima per il basso coefficiente di espansione termica;

 densità bassa pari a 2,5 kg/m³ (minore effetto delle vibrazioni);

 punto di fusione 1300°C (non particolarmente elevato);

 buona compatibilità con il catalizzatore;

 resistenza meccanica soddisfacente, molto sensibile alla procedura preparativa;

 basso costo per la relativamente bassa temperatura di calcinazione ed il basso costo dei materiali di partenza.

Il supporto è rivestito da uno strato di allumina (γ-Al2O3), detto washcoat o carrier, inerte e a elevata porosità, sulla cui superficie è disperso il platino, il principio attivo del catalizzatore.

L‟allumina γ, presenta un‟area superficiale alta (100-300 m2/g) ed è stabile alle temperature di reazione; la sua stabilità termica è notevolmente accresciuta con l‟aggiunta di piccole quantità di ossidi di lantanio e silicati, evitando così la transizione

di fase da γ-allumina a α-allumina con notevole diminuzione della superficie specifica. Un elemento importante presente nell‟allumina è l‟ossido di cerio, presente in ragione di un 10-30% in peso nel washcoat, che svolge una funzione di immagazzinare e trasferire ossigeno, per compensarne le carenze nel funzionamento con miscela “ricca” e gli eccessi nel funzionamento con miscela “povera”.

Vengono riportate le caratteristiche del catalizzatore raggruppate per tipologia di analisi svolta, (Salemi, 2008).

BET

Questo metodo è il più comunemente usato per la determinazione dell‟area superficiale specifica; tale misura può essere eseguita sia gravimetricamente, sia volumetricamente, previo degasaggio del campione in vuoto all‟opportuna temperatura.

I risultati forniti dal metodo sono:

 Area superficiale: 85.5 m²/g.

 Diametro medio dei pori: 126 Å

XRD

Come mostra lo spettro XRD, il catalizzatore è costituito dai seguenti elementi:

 Pt presente come forma metallica;

 Al2O3 presente come γ-allumina;

 Indialite Mg2Al4Si5O18.

L‟indialite è la forma di alta temperatura della cordierite, possiede la sua stessa formula chimica ma presenta una struttura differente (l‟indialite ha una struttura esagonale, la cordierite una struttura ortorombica).

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Figura 4.6 Schema XRD di un campione attivo.

ICP

Attraverso l‟analisi all‟ICP si osserva come la percentuale in peso di platino nel catalizzatore disattivato sia molto inferiore rispetto alla percentuale presente nel catalizzatore attivato.

Probabilmente, quindi, nel catalizzatore parzialmente disattivato, oltre alla sinterizzazione, avviene un fenomeno di distaccamento del platino dal monolita, dovuto al collasso del supporto.

Campione Peso (g) Al (w/w %) Pt (w/w %) Ce (w/w %) Al2O3 (g) Al2O3/cat. (w/w %) Pt/Al2O3 (w/w %) attivo 0,2610 9,45% 0,44% 0,01% 0,046 17,9% 2,4% disattivato 0,2600 13,76% 0,08% 0,01% 0,067 26,0% 0,3% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 2-q-Scale Si g n a l in te n s ity Pt g - alumina indialite

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