Elimination of volatile organic compounds using coupled adsorption-catalytic techniques

Sferyczny żel SiO2 wykorzystano w procesie nanoreplikacji jako szablon do otrzymania materiałów przeznaczonych do adsorpcji i katalitycznego utlenienia lotnych związków organicznych. Adsorbent węglowy zsyntezowano stosując wodny roztwór sacharozy (prekursor węgla), podczas gdy preparatykę nośnika ZrO2 oparto na impregnacji matrycy SiO2 roztworem ZrOCl2. Właściwości katalityczne otrzymanemu ZrO2 nadano poprzez wprowadzenie na jego powierzchnię platyny (1% mas). Do modyfikacji użyto metodę redukcji PtCl4 w roztworze poliolu. Zsyntezowane materiały scharakteryzowano metodami analizy termicznej, niskotemperaturowej adsorpcji N2 oraz proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej. Wyznaczono pojemność adsorpcyjną repliki węglowej oraz przeprowadzono test katalityczny dla Pt/ZrO2 w reakcji dopalania toluenu. Ostatecznie wykonano serie badań w sprzężonym układzie adsorpcyjno-katalitycznym opartym na warstwach adsorbentu i katalizatora ułożonych kolejno w jednym reaktorze, co pozwoliło na sekwencyjną adsorpcję toluenu w niskiej temperaturze, a następnie jego dopalenie w złożu katalitycznym po termodesorpcji. Wykazano, iż konieczne jest użycie inertnego separatora pomiędzy warstwami w celu zabezpieczenia repliki węglowej przed gazyfikacją. Wykazano, że procesy adsorpcji i desorpcji są powtarzalne, a katalizator Pt/ZrO2 pozwala na uzyskanie wysokich konwersji uwalnianego toluenu.

Spherical SiO2 gel was used in the nanoreplication process as a template for the synthesis of materials dedicated for adsorption and catalytic oxidation of volatile organic compounds. The carbon adsorbent was prepared by using aqueous solution of sucrose (carbon precursor), whereas the synthesis of ZrO2 support was based on impregnation of the SiO2 matrix with a ZrOCl2 solution. The catalytic properties of the synthesized ZrO2 material were tuned by the introduction of platinum (1 wt%) on its surface. For the modification reduction of PtCl4 in a polyol solution was used. The synthesized materials were characterized by thermal analysis, low-temperature N2 adsorption and powder X-ray diffraction. Adsorption capacity of the carbon replica was determined and a catalytic test in the toluene combustion was performed over Pt/ZrO2. Finally, some tests were carried out in a coupled adsorption-catalytic system based on beds of the adsorbent and the catalyst arranged successively in one reactor, which allowed for sequential adsorption of toluene at low temperature, followed by its combustion in the catalytic bed after thermal desorption. It was shown that an inert separator between both beds is necessary to protect the carbon replica against gasification. Moreover, it was found that adsorption and desorption processes are reproducible, and the Pt/ZrO2 catalyst shows the high conversion of released toluene.