Application of catalytic methods to purification of gases from biomass gasification

Praca została stworzona z myślą o pokazaniu zgazowania biomasy jako źródła ciepła dla gospodarstw domowych. Główny wysiłek badawczy skierowany został na procesy katalityczne mające potencjalne zastosowanie do oczyszczania gazów powstających w procesie zgazowania biomasy. Praca zawiera szeroko zakrojony przegląd literaturowy obejmujący zagadnienia dotyczące gazogeneratorów dolnociągowych, ich obsługi, zgazowania biomasy, oczyszczania i spalania powstałego gazu generatorowego. Poza tym, duża część poświęcona została obszernemu opracowaniu dotyczącemu wiedzy na temat hydrotalkitów i katalizatorów pochodzenia hydrotalkitowego zawierających w swym składzie mangan, a które używane są do usuwania zanieczyszczeń z gazów spalinowych. Zestaw związków hydrotalkitowych Mn-Mg-Al-CO3 został zsyntezowany w warunkach stałego pH=10 metodą współstrącania przy niskim wysyceniu jądrami kondensacji. Próbki różniły się między sobą zawartością glinu i magnezu, natomiast zawartość manganu była stała. Struktura otrzymanych związków hydrotalkitowych została potwierdzona w toku analizy rentgenowską dyfraktometrią proszkową XRD. Rozkład termiczny próbek badany był metodą termograwimetryczną TG łącznie z termograwimetryczną różnicową (DTG), a produkty rozkładu próbek kierowane były na spektrometr masowy. Po kalcynacji, której wynikiem było otrzymanie katalizatorów z mieszanych tlenków metali, próbki poddane zostały analizie proszkowej XRD w celu ustalenia powstałych faz krystalicznych. Powierzchnia właściwa katalizatorów wyznaczona została metodą BET. Charakteryzacja ugrupowań manganu na powierzchni próbek katalizatorów przeprowadzona została metodą UV-vis w technice spektroskopii rozproszonego odbicia (DRS). Charakter kwasowy powierzchni katalizatorów oceniono przy pomocy techniki temperaturowo programowanej desorpcji cząsteczek amoniaku. Temperaturowo programowana redukcja posłużyła do wyznaczenia charakteru redukująco-utleniającego próbek, który przypisywany jest głównie obecności manganu w strukturze badanych katalizatorów. Próbki poddane zostały testom katalitycznym obejmującym selektywne katalityczne utlenianie amoniaku oraz selektywną katalityczną redukcję tlenków azotu amoniakiem. Cechy katalizatorów zostały odniesione do temperatur kalcynacji próbek oraz ich składu chemicznego, a zauważone zależności zostały wyszczególnione. Wyniki dotyczące właściwości katalizatorów, otrzymane w toku pracy, zostały wyczerpująco porównane z wynikami publikowanymi przez innych autorów.

The thesis was intended to present a potential use of biomass gasification for residential heating. The main effort was directed toward the catalytic treatment of the gasification gas. The work contains extensive literature review concerning downdraft gasifiers, their operation, biomass gasification, producer gas cleaning and burning. Moreover, the thesis includes a comprehensive compilation of knowledge on hydrotalcites and hydrotalcite-derived manganese containing catalysts used for removal of contaminants from exhaust gases.A series of Mn-Mg-Al-CO3 hydrotalcite-like compounds was synthesized by co-precipitation at low supersaturation under fixed pH = 10. The samples contained different amounts of aluminum and magnesium and constant amount of manganese. Their structure was confirmed by powder XRD analysis. The thermal decomposition of the samples was investigated with TG and DTG analysis connected to mass spectrometer. Upon calcination, the resulting mixed metal oxide catalysts underwent powder XRD analysis in order to determine their crystalline phases. The specific surface areas of the catalysts were determined by BET method. The manganese species on the surface of the catalysts were characterized by UV-vis diffuse reflectance spectroscopy, meanwhile acidic character of the active sites was investigated with the use of temperature programmed desorption of ammonia. The redox properties, ascribed mainly to manganese species, were explored by temperature programmed reduction by hydrogen. Catalytic tests encompassing selective catalytic oxidation of ammonia and selective catalytic reduction of NO with ammonia were carried out over the catalysts. The properties of the catalysts were related to the calcination temperature as well as chemical composition of the samples, and the respective trends were presented. The results were compared with the results presented in other scientific papers released so far.