Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von submikronen Kohlenstoffpartikeln aus motorischen Abgasen

Hünnekes, Edgar Viktor; Modigell, Michael

doi:HT013535262

Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von submikronen Kohlenstoffpartikeln aus motorischen Abgasen

Hünnekes, Edgar Viktor

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Edgar Viktor Hünnekes

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangVI, 127 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Modigell, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-02-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-4498
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/57147/files/Huennekes_Edgar.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Katalyse (frei) ; Kohlenstoffpartikel (frei) ; Motorische Abgase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei jeder Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen neben gasförmigen Schadstoffen (z.B. Stickoxiden, Kohlenmonoxiden, Kohlenwasserstoffen) eine Vielzahl submikroner Kohlenstoffpartikel im Nanometer-Größenbereich und Schwebeteilchen im Mikrometer-Größenbereich (allgemein als Ruß bekannt), die mit dem Abgas ein Verbrennungsaerosol bilden. Generell überwiegt hierbei die Zahl der Nanoteilchen pro Kubikzentimeter Abgas deutlich die der Mikroteilchen. Ein Dieselmotor neuerer Bauart emittiert beispielsweise nur einige 10.000 sichtbare Rußteilchen pro cm³ Abgas, während die Konzentration der unsichtbaren Kohlenstoffpartikel zwischen 10 und 200 nm Größe bei mindestens 107 pro cm³ Abgas liegt. Ein vielversprechender Ansatz zur Entfernung von submikronen Partikeln aus dem Abgas ist der Einsatz eines elektrisch heizbaren SiC-Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung nach dem Jülicher Konzept. Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine Vorstudie zur Entwicklung eines solchen Filters. Verschiedene Katalysatoren wurden hinsichtlich ihres möglichen Einsatzes bei der Oxidation von Ruß untersucht. Dazu wurde eine Testapparatur entwickelt, die sich hauptsächlich aus einem Modellrußgenerator und einem extern beheizten Rohrreaktor zusammensetzt. Zur Erzeugung des Modellrußes diente ein Funkenerosionsgenerator mit einem Stickstoff-Trägergasstrom. Nach Zugabe des Oxidationsmittels (Sauerstoff oder Stickstoffdioxid) wurde das Aerosol in den Rohrreaktor geleitet, in dem katalytisch beschichtete Aluminiumoxidkugeln mit Durchmessern zwischen 1,5 und 1,7 mm als Schüttung untergebracht waren. Zu Beurteilung der Aktivität des jeweiligen Katalysators wurde das Oxidationsprodukt CO2 gemessen und in Abhängigkeit von der Temperatur in der Schüttung dargestellt. Daneben erfolgte die Analyse der Partikelphase mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) und einem Photoelektrischen Aerosolsensor (PAS). Der Kontakt zwischen Ruß und Katalysator konnte mit den verwendeten Meßmethoden und einem theoretischen Ansatz zur Abscheidung von Partikeln in Schüttungen nach dem Happel-Modell bestimmt werden. Das theoretische Modell beinhaltet die Partikel-Abscheidemechanismen Diffusion, Haftung, Trägheit, Gravitation und Thermophorese, sowie die Mechanismen Partikeltemperung und thermische Koagulation (Agglomeration), welche beide die Morphologie der Partikel in der Gasphase beeinflussen. Eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Modell konnte mit maximalen Abweichungen von +/- 20% erreicht werden. Bei den Untersuchungen zur Partikeloxidation mit Sauerstoff konnte gezeigt werden, daß sowohl Katalysatoren auf Edelmetall- als auch auf Nicht-Edelmetallbasis schon bei Temperaturen unterhalb von 200°C eine deutlich meßbare Aktivität aufweisen. Es wurden zweistufige Oxidationsprozesse beobachtet, die reaktionskinetisch mit einem doppelten Arrheniusansatz beschrieben werden können. Anhand der Variation der Verweilzeit wurde festgestellt, daß sich diese hauptsächlich auf die Partikeldeposition und damit auf die in der Schüttung akkumulierte Partikelmasse auswirkt. Die Variation des Sauerstoffgehaltes zeigte, daß der Einfluß der Sauerstoffkonzentration ab etwa 10 vol.-% auf die Oxidation von in der Schüttung deponierten Partikeln zu vernachlässigen ist, während eine Abhängigkeit der transmittierten Partikelphase oberhalb von 625°C bis 20 vol.-% deutlich nachzuweisen war. Bei Verwendung von Stickstoffdioxid als Oxidationsmittel konnte im Vergleich zur katalysierten und nichtkatalysierten Oxidation mit O2 ein um etwa 100°C niedrigeres Einsetzen der Partikeloxidation und ein deutlich höherer Umsatz im unteren Temperaturbereich beobachtet werden. Diese Umsatzsteigerung durch NO2 zeigte sich auch deutlich anhand der transmittierenden Partikelphase, in der schon bei Temperaturen zwischen 375 und 425°C eine deutliche Abnahme der Partikelkonzentration gemessen werden konnte. Vergleichende Messungen mit Ruß aus einem Dieselmotor zeigten, daß sich die Ergebnisse mit dem verwendeten Modellruß qualitativ auf den Dieselruß übertragen lassen. Die Oxidation des Dieselrusses konnte ebenfalls als zweistufiger Prozeß ermittelt und der katalytische Effekt deutlich herausgestellt werden. Dabei zeigte sich, daß der Einsatz der Dieselrußoxidation mit Sauerstoff um maximal 75°C zu höheren Temperaturen verschoben war, d.h. daß Dieselruß schwerer zu oxidieren ist als der verwendete Modellruß.

The combustion of fossil fuel (e.g. coal, oil, wood) produces gaseous pollutants (e.g. nitrogen oxide, carbon monoxide and hydrocarbons) and a multitude of submicron carbon particles and particles on the micrometer scale (soot) simultaneously. In general, the number of nanoparticles per cubic metre exhaust predominate the number of particles in the micrometer range clearly. For example, modern diesel engines emit a few 10 000 soot particles per cm3 exhaust of size above several 100 nm compared to up to 107 carbon particles in the range between 10 and 200 nm. One promising approach to eliminate the soot particles in the submicron range from engine exhaust is the usage of a catalytic coated electrically heatable SiC-filter following the so- called Jülicher concept. This work is the first step in the development of such an filter. Several catalysts were investigated. They were chosen because of their anticipated applicability. A laboratory reactor was therefore developed with an externally heated reactor tube and a model soot generator. The model soot was produced with an spark discharge generator in a nitrogen carrier gas stream. After adding an oxidation media (oxygen or nitrogendioxide), the aerosol was fed into the reactor, which contains the catalyst coated onto alumina oxide spheres with 1.5 to 1.7 mm in diameter. The oxidation product was recorded in dependence of the granular bed temperature. Furthermore the particle phase was mainly measured before and behind the reactor with a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) and a Photoelectric Aerosol Sensor (PAS). The contact between soot particles and the catalyst was investigated with the before mentioned equipment taking a theoretical determination of the particle deposition on the catalyst bed based on the Happel-Model into account. The theoretical model includes the deposition mechanisms: particle diffusion, interception, impaction, gravitational settling and thermophoresis together with the mechanisms of tempering and thermal coagulation (agglomeration), which both affect the morphology of the particles. A good agreement between calculation and measurement was achieved with deviations of +/- 20% at the most. Investigations of the catalytic particle oxidation with oxygen pointed out that precious metal as well as non-precious metal catalysts show a significant activity below 200°C. A two-step oxidation process was observed during oxidation of the model soot and could be described with a double Arrhenius equation. The variation of the dwell time in the reactor mainly affected only the soot particle deposition in the granular bed and in conclusion the amount of particle mass accumulated under the chosen experimental conditions. An oxygen content of more than 10 vol.-% had no influence of the oxidation of the deposited particles, whereas a dependence on oxygen concentrations up to 20 vol.-% was observed concerning the transmitted particle phase above 625°C . Compared with oxygen, the usage of nitrogendioxid as oxidation medium lowers the onset of the particle oxidation down to about 100°C approximately. Furthermore a higher turnover was measured in the lower temperature region. Final tests with dry diesel soot and oxygen were performed to compare the diesel soot oxidation with the results obtained with the model soot. A two-step oxidation process with oxygen as oxidation medium was observed as well. The oxidation onset temperature increases by 75°C at the most, when using the diesel soot in stead of the model soot.

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