Seccions
- El procés de reducció catalítica selectiva (RCS)
- La RCS aplicada al tractament d’aigües residuals
- Descripció del procés RCS aplicat al tractament d’efluents
- Conclusions
El procés de reducció catalítica selectiva (RCS)
L’emissió d’òxids de nitrogen resulta molt perillosa per a la salut, ja que afecta els aparells respiratoris de persones i animals, podent arribar a produir malalties respiratòries i cardiovasculars pel seu caràcter àcid. A més, un cop són emesos poden donar origen a altres contaminants secundaris. Les reaccions produïdes a l’atmosfera per aquests compostos són molt complexes, i intervenen radicals com OH i O₃.
Els òxids de nitrogen (NOx) es troben presents en els gasos d’escapament de calderes, motors dièsel, plantes de generació d’energia i processos industrials, entre els quals mereixen especial menció:
- Indústria Energètica: Plantas termoelèctriques i de cogeneració.
- Motors Dièsel: Vehicles de càrrega, maquinària pesada i vaixells.
- Cementeres i Metal·lúrgia: Emissions en forns i calderes.
- Química i Petroquímica: Formació de NOₓ en refineries i processos de combustió.
Aquests compostos contribueixen de manera important en la contaminació atmosfèrica i són causants dels següents efectes nocius:
- La destrucció de l’O₃ de l’atmosfera
- La contribució a l’efecte hivernacle
- La producció de pluja àcida
- Contaminació pel trànsit (Smog)
La reducció catalítica selectiva (SCR) és un procés utilitzat per convertir òxids de nitrogen (també coneguts com NOx) en nitrogen diatòmic (N₂) i aigua. Això s’aconsegueix amb l’ajuda d’un agent reductor, habitualment amoníac (NH₃), (NH₄OH), o urea (CO(NH₂)₂), que s’afegeix al corrent de fums o gasos d’escapament contaminats i es fa reaccionar amb un catalitzador. En cas d’usar urea, es produeixen nitrogen (N₂) i diòxid de carboni (CO₂).
Un sistema SCR es compon bàsicament de:
- Agent reductor: L’amoníac, en forma NH₄OH, o la urea són vaporitzats, i diluïts amb aire per ser injectats directament al corrent de gasos a tractar, a través d’un distribuïdor.
- Reactor catalític És la cambra en la qual es produeix la reacció dels NOₓ amb el catalitzador. El catalitzador està compost de sals de titani (TiO₂), tungstè (WO₃), o de vanadi (V₂O₅). També es poden utilitzar zeolites impregnades de coure, o de ferro.
Principi de Funcionament
La reducció catalítica selectiva empra un agent reductor, generalment amoníac (NH₃) o una solució d’urea (NH₂CONH₂), que reacciona amb els òxids de nitrogen en presència d’un catalitzador. La reacció química principal és:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O/p>
També pot ocórrer la següent reacció:
6NO2+8NH3→7N2+12H2O6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O6NO2+8NH3→7N2+12H2O
El procés és altament eficient, aconseguint reduir fins a un 90% dels NOₓ presents en els efluents gasosos.
La RCS aplicada al tractament d’aigües residuals
La reducció catalítica selectiva (SCR) és àmpliament utilitzada en el tractament d’emissions d’òxids de nitrogen i, encara que és menys comú, també existeix una tecnologia basada en la catàlisi selectiva en el tractament d’aigües residuals, que s’empra per a la degradació de compostos nitrogenats i orgànics refractaris.
En el cas de les aigües residuals que contenen altes concentracions de NOx, el procés de reducció catalítica selectiva (RCS) està dissenyat per reduir aquests compostos mitjançant la injecció d’amoníac (NH₃), en presència d’un excés d’oxigen (O₂) i un catalitzador adequat. Com a resultat, els NOx es transformen en compostos innocus com nitrogen (N₂) i vapor d’aigua (H₂O).
L’eliminació de NO₃⁻ i NO₂⁻ (Desnitrificació) és necessària en les aigües residuals industrials i municipals que contenen un excés de nitrats i nitrits i poden provocar eutrofització en el vessament. Per a això, s’empra la reducció catalítica heterogènia, en la qual un catalitzador (generalment basat en metalls com platí, pal·ladi o coure) facilita la reducció dels nitrats a nitrogen molecular (N₂), evitant la formació d’amoníac (NH₃), que és un altre contaminant a evitar en el vessament.
- Reacció química principal: NO3−+2H2→N2+2H2ONO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂ONO3−+2H2→N2+2H2O
També es poden utilitzar fonts d’hidrogen (H₂) o agents reductors com àcid fòrmic o àcid acètic.
Avantatges
- Alta eficiència en l’eliminació de nitrats i nitrits.
- No genera residus secundaris perillosos.
- Procés ràpid i estable en comparació amb tractaments biològics.
- Pot aplicar-se en combinació amb altres tractaments, com filtració i adsorció.
Desavantatges
- Requereix catalitzadors específics, que poden ser costosos.
- Dependència de condicions controlades de pH i temperatura.
- Cost d’un agent reductor (H₂, àcids o peròxids).
- Possible desactivació del catalitzador amb el temps degut a incrustacions o contaminació.
Eliminació de Compostos Orgànics Persistents (COPs) i Contaminants Emergents
Alguns efluents contenen compostos que són difícils de degradar amb procediments biològics convencionals, com poden ser els procedents de la indústria farmacèutica, pesticides, fenols i colorants. La oxidació catalítica selectiva (similar al procés SCR) utilitza catalitzadors metàl·lics i peròxid d’hidrogen (H₂O₂) o ozó (O₃) per descompondre’ls.
Descripció del procés RCS aplicat al tractament d’efluents
Un procés de tractament d’efluents mitjançant reducció catalítica selectiva consta de les següents etapes:
Pretractament de l’efluent
Consistent en:
- Una separació prèvia de sòlids per tamisat o filtració.
- Un ajust de pH (6,5 – 8,5) amb àlcali o àcid.
- Un control de temperatura (10 – 50 ºC) mitjançant un intercanviador de calor, si és precís.
Injecció de l’agent reductor
S’utilitzen:
- Hidrogen (H₂) per a catalitzadors metàl·lics com platí o pal·ladi.
- Àcid fòrmic (HCOOH) o àcid acètic (CH₃COOH), que s’empren amb catalitzadors de coure o plata.
- Hidrats de carboni o etanol, que s’utilitzen en processos amb biocatalitzadors.
Reactor catalític
Dins del reactor catalític, els nitrats (NO₃⁻) i nitrits (NO₂⁻) reaccionen amb l’agent reductor en presència d’un catalitzador, la funció del qual és accelerar la conversió dels compostos nitrogenats en nitrogen molecular (N₂), el qual es libera a l’atmosfera.
Materials comuns del catalitzador:
- Metalls nobles: Platí (Pt), pal·ladi (Pd), rodi (Rh).
- Metalls de transició: Coure (Cu), ferro (Fe), níquel (Ni), plata (Ag).
- Suports ceràmics: Òxid de titani (TiO₂), alúmina (Al₂O₃), zeolites.
Reaccions principals:
NO3−+2H2→N2+2H2ONO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂ONO3−+2H2→N2+2H2ONO2−+H2→N2+H2ONO₂⁻ + H₂ → N₂ + H₂ONO2−+H2→N2+H2O
Separació de Productes i Filtració Final
Després del tractament catalític, poden generar-se productes col·loïdals o precipitats, els quals poden ser eliminats mitjançant els següents processos:
- Filtres de sorra o carbó actiu
- Centrífugues o sedimentadors
Tractament d’efluents amb NOx i SO₂
Les aigües residuals que contenen nitrats (NO₃) i diòxid de sofre (SO₂), poden ser tractades mitjançant reducció catalítica selectiva. Aquesta tecnologia ofereix excel·lents resultats quan es desitja reduir les concentracions de NO₃ i SO₂, dos contaminants comuns en aigües residuals del sector agrícola i de diferents sectors industrials.
La línia de tractament és similar a la descrita per al tractament dels NOx, però cal tenir en compte la presència de SO₂, del qual poden derivar compostos com el H₂SO₄ i (NH₄)₂SO₄. Aquests compostos poden ser problemàtics per a les instal·lacions per la seva elevada corrosivitat, i per al procés de catàlisi, ja que poden obstruir el llit de material catalitzador.
Reducció de diòxid de sofre (SO₂) a sofre (S):
Durant el procés de reducció de SO₂, el diòxid de sofre es transforma en sofre elemental o altres compostos sulfurats menys perillosos.
- El procés típic de reducció catalítica passa el SO₂ a sofre elemental.
- El catalitzador ajuda a facilitar la reducció, i es pot usar un metall base com el níquel o el coure.
- Cal controlar la temperatura i la concentració de reactius per evitar la formació de compostos indesitjats, com l’àcid sulfúric (H₂SO₄).
Avantatges
- Alta eficiència. Es tracta d’un procés eficient amb un rendiment depuratiu >90%.
- Reaccions selectives i controlades. És factible reduir les concentracions de NO₃ i SO₂ sense afectar significativament altres compostos presents a l’aigua residual.
- Recuperació de productes valuosos: El sofre obtingut pot ser recuperat i utilitzat en altres processos industrials.
Inconvenients
* Costos d’operació: Els costos d’operació i manteniment poden ser elevats degut a l’ús de catalitzadors específics i reactius.
* Substitució del catalitzador: Amb el pas del temps, els catalitzadors perden la seva efectivitat, per la qual cosa poden necessitar regeneració o substitució.
* Control del procés: Es requereix un control estricte de temperatura, pH i concentració de reactius per obtenir l’eficiència esperada de la RCS.
Conclusió
La presència de NOx en les emissions gasoses i en els vessaments ha de ser tractada per eliminar el risc que suposen per a la salut i complir amb els límits legals.
Gran part de les emissions de NOx a l’atmosfera provenen de processos industrials i de la producció d’energia.
La reducció catalítica selectiva (SCR) és un mètode eficient per disminuir els òxids de nitrogen (NOx) en les emissions industrials, mitjançant l’ús d’un catalitzador i un agent reductor com la urea o el NH₃. Amb aquest tractament, els NOx es transformen en nitrogen i vapor d’aigua, minimitzant el seu impacte ambiental.
Encara que aquesta tecnologia és més coneguda pel tractament d’emissions gasoses, també és àmpliament utilitzada per a la reducció de NOx i compostos orgànics recalcitrants presents a les aigües residuals. Aquest sistema integra un conjunt de tecnologies avançades que inclouen reactors catalítics, sistemes de dosificació, equips de mescla i filtració, a més de sensors de monitoratge. La seva correcta integració permet una eliminació eficient de contaminants nitrogenats i orgànics.
Per al cas de la reducció de nitrats (NO₃⁻) i nitrits (NO₂⁻), la RCS converteix els compostos nitrogenats en nitrogen molecular (N₂), evitant la seva acumulació a l’aigua i prevenint problemes ambientals com l’eutrofització.
En presència de SO₂, cal tenir cura amb el disseny del procés per impedir l’embussament i deteriorament de la instal·lació per la possible formació de H₂SO₄, o la de (NH₄)₂ SO₄. S’han de disposar els catalitzadors adequats i un control rigorós de les condicions d’operació.
Bibliografia i consultes
Reducció catalítica selectiva (RCS) | Condorchem Enviro Solutions
Reducció Catalítica Selectiva _ AcademiaLab
NOx | Reducció Catalítica Selectiva (SCR) | Tractament emissions NOx | Condorchem Enviro Solutions