Abstract

Exhaust gas emissions, e.g. nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HCs) and carbon monoxide (CO), are harmful to human health and the environment. Catalysis is an efficient method to decrease these emissions. Unfortunately, the fuels and lubricant oils may contain chemical impurities that are also present in exhaust gases. Thus, catalytic materials with high activity and chemical resistance towards impurities are needed in the abatement of exhaust gas emission. In this thesis, the aim was to gain new knowledge about the effects of chemical impurities on the behaviour and activity of the catalysts. To find out these effects, the impurities existing in the exhaust gas particulate matter after combustion of biofuels and fossil fuels were analysed. The studied zeolite (ZSM-5), cerium-zirconium mixed oxides (CeZr and ZrCe) and silicon-zirconium oxide (SiZr) based catalysts were also treated with impurities to simulate the poisoning of the catalysts by, e.g. potassium, sodium, phosphorus and sulphur, using gas or liquid phase treatments. Several characterization techniques were applied to find out the effects of impurities on catalysts’ properties. The activity of catalysts was tested in laboratory-scale measurements in CO and HC oxidation and NOx reduction using ammonia (NH3) and hydrogen (H2) as reductants. The results revealed that the CeZr based catalysts had a high activity in NOx reduction by NH3 and moderate activity by H2. Sulphur was proven to enhance the activity of CeZr catalysts in NOx reduction. This is due to an increase in chemisorbed oxygen after the sulphur treatment on the catalyst surface. Instead, in HC and CO oxidation reactions, sulphur had a negligible impact on the activity of the SiZr based diesel oxidation catalyst. Thus, both CeZr and SiZr based catalysts can be utilized in exhaust gas purification when sulphur is present. ZSM-5 based catalysts were proven to be resistant to potassium and sodium. Alternatively, the activity of SiZr based catalysts decreased due to phosphorus. Thus, the removal of biomaterial-based impurities from the exhaust gases is needed to retain high catalyst activity in the exhaust gas after-treatment system.

Tiivistelmä

Pakokaasupäästöissä olevat typen oksidit (NOx), hiilivedyt (HCs) ja hiilimonoksidi (CO) ovat haitallisia ihmisten terveydelle ja ympäristölle. Katalyysi on tehokas menetelmä vähentää näitä päästökomponentteja. Polttoaineet ja voiteluöljyt sisältävät epäpuhtauksia, jotka siirtyvät myös pakokaasuihin. Tästä johtuen pakokaasupäästöjen hallinnassa tarvitaan katalyyttimateriaaleja, joilla on hyvä vastustuskyky myrkyttymistä vastaan. Tavoitteena oli saada uutta tietoa kemiallisten epäpuhtauksien vaikutuksesta katalyyttien toimintaan. Biopolttoaineiden sisältämät mahdolliset epäpuhtaudet selvitettiin analysoimalla fossiilisen ja biopolttoaineen palamisessa muodostuvia partikkeleita ja vertaamalla niitä polttoaineiden hivenaineanalyysiin. Tutkimuksessa käytetyt zeoliitti (ZSM-5), cerium-zirkonium-sekaoksidi (CeZr) ja pii-zirkonium-oksidipohjaiset (SiZr) katalyytit käsiteltiin epäpuhtauksilla (kalium, natrium, fosfori ja rikki) kaasu- ja nestefaasissa. Tutkimuksessa käytettiin useita karakterisointitekniikoita, joiden avulla selvitettiin epäpuhtauksien vaikutuksia katalyyttien ominaisuuksiin. Katalyyttien toimintaa testattiin laboratoriomittakaavan kokeissa CO:n ja HC-yhdisteiden hapetuksessa sekä NOx:ien pelkistyksessä käyttäen ammoniakkia (NH3) tai vetyä (H2) pelkistimenä. Tulokset osoittavat, että CeZr-pohjaisten katalyyttien aktiivisuus NOx:ien pelkistyksessä oli hyvä käytettäessä pelkistimenä NH3:a ja kohtalainen käytettäessä vetyä. Rikki paransi CeZr-katalyyttien aktiivisuutta NOx:ien pelkistyksessä, mikä johtui kemiallisesti sitoutuneen hapen osuudesta katalyyttien pinnoilla. Vastaavasti hiilivetyjen ja CO:n hapetusreaktioissa rikki ei vaikuttanut SiZr-pohjaisten dieselhapetuskatalyyttien aktiivisuuteen. Sekä CeZr- ja SiZr-pohjaisia katalyytteja voidaan siten käyttää rikkiä sisältävien pakokaasujen puhdistuksessa. SiZr-pohjaisten katalyyttien aktiivisuus laski fosforin vuoksi. ZSM-5-pohjaiset katalyytit olivat vastustuskykyisiä kaliumille ja natriumille. Kestäviä katalyyttejä on siten kehitettävä, mikäli biopolttoaineiden sisältämien epäpuhtauksien poistaminen polttoaineista ei ole mahdollista.