Eliminació de NOx (òxids de nitrogen)

La contaminació atmosfèrica constitueix una greu amenaça per a la salut a la majoria de zones del planeta. D’acord amb una avaluació de la càrrega de morbiditat deguda a la contaminació ambiental realitzada per l’OMS, cada any es produeixen més de 7 milions de morts prematures atribuïbles als efectes de la contaminació urbana. A més, no és un problema exclusiu dels països més desenvolupats, sinó que més de la meitat d’aquesta càrrega recau sobre la població dels països en desenvolupament.

Els òxids de nitrogen no són els únics causants de la contaminació atmosfèrica, però sí que són dels principals contaminants en importància.

Els òxids de nitrogen són dos gasos de nitrogen diferents: òxid nítric (NO) i diòxid de nitrogen (NO2). El terme NOX fa referència a la combinació dels gasos a causa de les facilitats d’interconversió mútua que presenten en presència d’oxigen. Tot i que des d’un punt formal, el terme general dels òxids de nitrogen, engloba els següents compostos:

• NO
• NO2
• N2O2
• N2O4

• N2O
• N2O3
• N2O5
• NO3 (sent aquest últim inestable)

Tot i que gran part dels NOX són d’origen natural, una important fracció de NOX es deu a processos antropogènics. Les fonts artificials més importants corresponen al transport (70%) i a la indústria (25%). Els processos industrials que generen NOX en major quantitat són els dedicats a la producció d’energia, a la combustió de carbó, petroli o gas natural i els processos de galvanoplàstia i gravat de metalls. El NO i el NO2 es formen en els processos en què, en presència de nitrogen i oxigen de l’aire, s’assoleixen temperatures superiors als 1200 ºC.

Els òxids de nitrogen tenen tots en comú que són gasos contaminants, per la qual cosa les seves emissions tenen especial incidència sobre el medi ambient. Els principals efectes que causen són:

• La destrucció de l’ozó estratosfèric
• Contribució a l’efecte hivernacle
• La producció de pluja àcida
• La generació de Smog fotoquímic

Per tot això, és totalment necessari, en primer terme, minimitzar la seva producció. I, posteriorment, eliminar els òxids de nitrogen que la seva generació no s’ha pogut prevenir. L’objectiu de minimitzar la seva generació pot ser assolit seguint tres estratègies diferents:

• Reduint la temperatura d’operació
• Reduint el temps de residència dels gasos, especialment el nitrogen, a la zona de combustió, on existeixen altes temperatures
• Disminuint la relació oxigen-combustible. En reduir l’excés d’oxigen, es disminueix considerablement la generació de NOX

No obstant això, és impossible evitar completament la generació d’òxids de nitrogen i per complir amb la normativa, que cada cop és més exigent, s’han d’utilitzar tècniques que permetin eliminar els NOX generats. Les tècniques més utilitzades per a aquest propòsit són:

Absorció mitjançant reacció química

Aquesta tècnica consisteix en l’absorció dels NOX mitjançant una reacció química en fase líquida. El reactiu majoritàriament utilitzat per a la seva absorció és l’àcid sulfúric. Aquest reacciona amb els òxids de nitrogen per formar l’espècie HSO4NO (àcid nitrosilsulfúric), la qual roman en la fase líquida. En condicions d’alta pressió (2 atm) i baixa temperatura (35 ºC) els NOX queden absorbits en la fase líquida. En canvi, es pot revertir el procés a alta temperatura (180ºC) i baixa pressió (0,5 atm); en aquestes condicions, es separa la molècula nitrogenada (ara àcid nítric per la presència d’aigua) de l’àcid sulfúric, el qual es pot reutilitzar.

Aquest procés presenta el desavantatge que s’han de manipular reactius químics corrosius i perillosos alhora que es requereix espai físic per allotjar el procés. Les eficàcies aconseguides no són elevades, per la qual cosa la tècnica és recomanable per a baixes càrregues de NOX.

Reducció mitjançant reacció selectiva no catalítica (SNCR)

Aquesta tècnica permet la reducció d’emissions d’òxids de nitrogen mitjançant la seva conversió en nitrogen gas via una reacció química no catalítica. Per dur a terme aquesta conversió, sense la presència de cap catalitzador, és necessari pujar la temperatura dins del rang 850-1100 ºC. La temperatura d’operació depèn directament de l’agent reductor que s’utilitzi, sent els més utilitzats amoníac o urea.
Aquesta tècnica s’utilitza sovint en petites calderes industrials, ja que en instal·lacions de major mida es disparen els costos de treballar en aquest rang de temperatures. L’equip de SNCR no requereix un gran espai i és de fàcil instal·lació i operació. No obstant això, l’eficiència de reducció que s’assoleix és moderada, fet que fa que sigui una tècnica vàlida per a aquells casos en què les emissions d’òxids de nitrogen siguin baixes.

Reducció mitjançant reacció química catalítica selectiva (SCR)

Aquesta tècnica es basa en un procés catalític en què es redueixen de forma selectiva els òxids de nitrogen en presència d’un catalitzador mentre que l’agent reductor (amoníac o urea) s’oxida a nitrogen gas. El fet que la reacció es dugui a terme sobre la superfície del catalitzador fa possible que la temperatura necessària estigui compresa en el rang 250-450 ºC. La temperatura d’operació acabarà depenent de diversos factors, sent el catalitzador utilitzat un dels paràmetres clau.

L’agent reductor, a la pràctica, pot ser una dissolució aquosa d’amoníac, amoníac liquat o bé una dissolució aquosa d’urea. De totes elles, la utilització d’amoníac liquat és l’opció més econòmica, fet que es tradueix en uns costos d’operació inferiors. Però per una altra banda, la manipulació d’amoníac liquat és molt més complexa, a causa de les seves característiques, que la d’una solució aquosa d’amoníac o d’urea. L’ús, emmagatzematge i transport d’amoníac liquat està subjecte a la Directiva 96/82/CE (Directiva Seveso II) i ha de ser utilitzat seguint un estricte protocol de seguretat, a causa del risc que suposa el fet de ser molt corrosiu i explosiu en presència d’oxigen.

A nivell d’operació, com més gran sigui la relació NH3/NOX alimentada, més gran serà l’eficiència aconseguida. No obstant això, també augmentarà la quantitat d’amoníac que no ha reaccionat i que es desaprofita en el corrent de gasos. Aquesta pèrdua d’amoníac sense reaccionar ha de ser minimitzada, ja que aquest reacciona en presència d’aigua amb el SO3, per produir bisulfit d’amoni (NH4HSO4), el qual és corrosiu i produeix l’embrutiment de les instal·lacions. La clau d’una operació òptima és l’alimentació d’amoníac en tal mesura que s’aconsegueixi un bon rendiment alhora que es minimitza la quantitat d’amoníac no reaccionat.

L’elecció del catalitzador és determinant en el procés, ja que influeix en paràmetres clau com són la temperatura d’operació i l’extensió de la reacció. Existeixen quatre materials diferents utilitzats com a catalitzadors:

1. Òxids metàl·lics (de vanadi, tungstè, molibdè o crom) sobre base de diòxid de titani (TiO2)
2. Zeolites
3. Òxids de ferro embolcallats per una fina capa de fosfat de ferro
4. Carbó actiu

L’elecció del catalitzador també condiciona directament els costos d’operació, ja que no tots tenen les mateixes propietats, cost i vida útil.

Les principals avantatges de la tecnologia SCR es basen en el rendiment d’eliminació de NOX, que és molt elevat, a més que es transformen els NOX en nitrogen gas sense produir cap subproducte ni residu.

Així doncs, l’emissió d’òxids de nitrogen ha de ser controlada en estar estrictament regulada per la normativa vigent. El primer pas per al seu control és la minimització de la producció d’aquests gasos. La producció que no es pugui prevenir, haurà de ser correctament tractada abans de alliberar la resta de gasos a l’atmosfera. Per a l’eliminació dels NOX la tècnica més eficient és la reducció mitjançant reacció química catalítica selectiva (SCR).

L’urea

Tal com hem comentat l’urea s’utilitza com a agent reductor per eliminar els òxids de nitrogen (NOx) mitjançant SCR i SNCR, aquesta il·lustració* mostra l’aspecte d’una molècula d’urea. L’urea s’utilitza també com a additiu en vehicles amb motor de combustió per neutralitzar en la mesura del possible les seves pròpies emissions.
*(crèdit 3dchem.com)