Resumen de Combustión de hollín usando catalizadores basados en óxidos de níquel (II) y cerio (IV): preparación, caracterización y estudio cinético

Nelson Arcos, Mario Hurtado Cotillo, Rómulo Cruz, Gino Picasso, Rosario López

• español

  RESUMEN El hollín generado en las arenas de fundición es un impedimento para la reutilización de las arenas debido a su contaminación, por ello la oxidación catalítica es necesaria para incrementar la velocidad de oxidación del hollín a menores temperaturas, mejorando la eficiencia energética y ambiental del proceso de recuperación. Los catalizadores mixtos de NiCe fueron preparados mediante el método de evaporación de solvente en proporciones molares Ni:Ce de 0.5:9.5, 1:9, 5:5, y 9:1 representados como Ni0.5Ce9.5, Ni1Ce9, Ni5Ce5 y Ni9Ce1, respectivamente y los catalizadores másicos CeO2 y NiO también fueron preparados por el mismo método. Todas las muestras se caracterizaron mediante diferentes técnicas basadas en su composición química, estructural, morfológica, textural y propiedades redox. Las técnicas de caracterización fueron: sorción de N2 (método BET), difracción de rayos X (XRD), termogravimetría (TGA), reducción a temperatura programada con H2 (TPR-H2), espectroscopía láser Raman (LRS), y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). La actividad catalítica se evaluó por TGA bajo aire sintético en contacto directo para la combustión del hollín. La calcinación a 800 °C y 600 °C de los catalizadores mixtos mostraron una baja superficie específica (3-74 m2 g-1) con tamaño promedio de cristalita que variaron con los distintos valores NiCe (9-22 nm). Sin embargo, se observó un incremento en el volumen del poro mesoporoso, un importante parámetro para la oxidación del hollín con aire. Asimismo, los difractogramas de rayos X del catalizador NiCe mostraron una introducción parcial de los iones Ni2+ a la red de la fluorita del CeO2 mediante un desplazamiento con respecto a la posición inicial del difractograma del CeO2. El catalizador Ni0.5Ce9.5 calcinado a 600 °C obtuvo la mejor actividad catalítica (T50 = 519.43 °C) comparado con los catalizadores Ni1Ce9, Ni5Ce5 y Ni9Ce1 and CeO2 calcinados a 800 °C y 600 °C. Se evaluó la cinética de oxidación del hollín, donde se determinó la energía de activación (Ea) tanto para el hollín catalizado como para el no catalizado bajo TGA con flujo de aire y se concluyó que el catalizador Ni0.5Ce9.5 (600) mejoró efectivamente la actividad catalítica (Ea = 73 kJ mol- 1) generando la eliminación del hollín a una temperatura más baja.

• English

  ABSTRACT The soot generated in foundry sands is an impediment to the reuse of the sands due to its contamination, therefore catalytic oxidation is necessary to increase the rate of soot oxidation at lower temperatures, improving the energy and environmental efficiency of the recovery process. NiO-CeO2 mixed oxides catalysts were prepared by solvent evaporation method with Ni:Ce molar ratios of 0.5:9.5, 1:9, 5:5, and 9:1, represented as Ni0.5Ce9.5, Ni1Ce9, Ni5Ce5 y Ni9Ce1, respectively and the precursors as CeO2 and NiO catalyst were also prepared through the same method. All the samples were characterized by different techniques based on their chemical, structural, morphological, textural composition, and redox properties. Characterization techniques were N2 sorption (BET method), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), H2 temperature programmed reduction (TPR-H2), Raman laser spectroscopy (LRS), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The catalytic activity of the catalysts was evaluated by TGA under synthetic air as feed gas under tight contact for soot combustion. Calcinations at 800°C and 600°C of the mixed catalysts showed a low specific surface area (3-74 m2 g-1) with average crystallite sizes that varied with the different NiCe values (9-22 nm). However, an increase in the volume of the mesoporous pore was observed, an important parameter for the oxidation of soot with air. Likewise, the X-ray diffractograms of the NiCe catalysts showed a partial introduction of the Ni2+ ions to the CeO2 fluorite lattice through a displacement with respect to the initial position of the CeO2 diffractogram. The catalyst Ni0.5Ce9.5 (600), obtained the best catalytic activity (T50 =519.43 °C) compared to the catalysts Ni1Ce9, Ni5Ce5 y Ni9Ce1 and CeO2 calcined at 800°C and 600 °C. The soot oxidation kinetics were reported, where the activation energy (Ea) was determined, both for catalyzed and non-catalyzed soot under TGA with air flow. Therefore, it was concluded that the catalyst Ni0.5Ce9.5 (600) effectively improved the catalytic activity of the catalyst (Ea = 73 kJ mol-1) and reduced the combustion temperature, which generates the removal of soot at a lower temperature.