Synthesis and characterization of catalysts used for the catalytic oxidation of sulfur-containing volatile organic compounds : focus on sulfur-induced deactivation

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>The work in this thesis concentrates on finding more active and durable catalysts for the demanding environmental application of the oxidation of sulfur-containing volatile organic compounds (S-VOCs). This application is challenging due to the high purification levels required and the catalyst deactivating nature of sulfur. In this thesis, dimethyldisulfide (DMDS) was used as the model molecule to represent S-VOCs since it is often present in odorous emissions and it is more difficult to treat than most of the other S-VOCs.</p><p>It was found that the addition of a very small amount of Pt (0.3%) especially improves the selectivity of copper oxide based catalysts towards complete oxidation products ((carbon dioixide (CO₂), water (H₂O) and sulfur dioxide (SO₂)) in DMDS oxidation. Catalyst characterization by transmission electron microscopy, temperature programmed reduction and X-ray photoelectron spectroscopy analyses suggests that this promoting effect is most likely due to the close interaction between Cu and Pt species on the bimetallic PtCu/γ-Al₂O₃ catalyst.</p><p>The drawback of using the Al₂O₃ support is that it is not resistant towards sulfur poisoning. The deactivation of the self-made catalysts was studied with the help of an accelerated ageing procedure that was developed based on the information from the industrially aged volatile organic compound (VOC) catalysts. Industrial deactivation was caused by the sintering of the support and active metals and by the formation of metal sulfates with the support. After accelerated ageing, the silica doped alumina (Al₂O₃)_0.8(SiO₂)_0.2 supported catalyst, showed remarkably promising results in terms of stability towards sulfur poisoning and the activity in DMDS oxidation was very close to that of the most active PtCu/Al₂O₃. The addition of less than 20% of SiO₂ on the Al₂O₃ support led to a catalyst that is more selective and resistant to sulfur poisoning.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Väitöskirjassa tuotetaan uutta tietoa rikkipitoisten orgaanisten yhdisteiden (S-VOC) hapetukseen soveltuvien uusien katalyyttisten materiaalien synteesistä ja karakterisoinnista. S-VOC-yhdisteiden käsittely on vaativa katalyyttisen polton sovellus, koska näiden päästöjen käsittely edellyttää korkeaa puhdistustehoa, ja lisäksi yhdisteiden sisältämä rikki on katalyyttimyrkky. Tässä väitöskirjassa valittiin S-VOC-yhdisteitä edustavaksi malliaineeksi dimetyylisulfidi (DMDS), koska se on usein mukana käsiteltävissä S-VOC-päästöissä ja sen käsittely on vaativampaa kuin useiden muiden S-VOC-yhdisteiden käsittely.</p><p>Tutkimustulosten mukaan hyvin pieni Pt-lisäys (0.3 %) parantaa erityisesti kuparioksidikatalyyttien selektiivisyyttä DMDS:n kokonaishapetustuotteiksi (CO₂, H₂O, SO₂). Katalyyttien karakterisoinnin (läpäisyelektronimikroskopia, lämpötilaohjattu pelkistysreaktio, röntgensädefotoelektronispektroskopia) perusteella voidaan esittää parannuksen syyksi kuparin ja platinan läheinen kontakti bimetallisen PtCu/γ-Al₂O₃-katalyytin pinnalla.</p><p>Al₂O₃-tukiaineen heikkoutena on sen deaktivoitumisherkkyys rikkiyhdisteiden läsnä ollessa. Väitöskirjatyössä valmistettujen katalyyttien deaktivitumista tutkittiin laboratoriomittakaavassa nopeutettujen ikäytyskokeiden avulla, jotka kehitettiin teollisessa käytössä deaktivoituneen katalyytin karakterisointien avulla saadun tiedon perusteella. Teollisessa käytössä olleen katalyytin deaktivoitumisen syyksi havaittiin tukiaineen ja aktiivisten metallien sintrautuminen sekä metallisulfidien muodostuminen tukiaineen kanssa. Nopeutettujen ikäytyskokeiden tulosten perusteella havaittiin, että piidioksidin lisäys alumiinioksiditukiaineeseen paransi tukiaineen rikin kestoa merkittävästi. Tutkimuksissa havaittiin myös, että piidioksidilla muokatun katalyytin aktiivisuus oli hyvin lähellä vastaavaa PtCu/γ-Al₂O₃-katalyytin aktiivisuutta. DMDS:n hapetuksessa selektiivisempi ja stabiilimpi katalyytti voidaan aikaansaada alle 20 %:n SiO₂-lisäyksellä Al₂O₃-tukiaineeseen.</p></div>