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PT116729B - METHOD FOR TREATMENT OF NITROUS OXIDE AND FORMATION OF NITRIC OXIDE IN SIMULTANEOUS - Google Patents

METHOD FOR TREATMENT OF NITROUS OXIDE AND FORMATION OF NITRIC OXIDE IN SIMULTANEOUS Download PDF

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PT116729B
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Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM MÉTODO PARA O TRATAMENTO DE ÓXIDO NITROSO E FORMAÇÃO DE ÓXIDO NÍTRICO, EM SIMULTÂNEO, COMPREENDENDO ALIMENTAR UMA CORRENTE GASOSA DE N2O AO CATALISADOR DE REDUÇÃO DE UMA MEMBRANA, EM SIMULTÂNEO COM ALIMENTAÇÃO DE UMA CORRENTE GASOSA DE NH3 AO CATALISADOR DE OXIDAÇÃO DA REFERIDA MEMBRANA, EM QUE AMBOS OS CATALISADORES DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO DA MEMBRANA ESTÃO À MESMA TEMPERATURA DE REAÇÃO. ESTE É UM NOVO MÉTODO DE ABATIMENTO DE N2O, O QUAL PODE SER REINTEGRADO EM INSTALAÇÕES DE ÁCIDO NÍTRICO PARA TRATAR N2O ENQUANTO SE PRODUZ, DE UM MODO VANTAJOSO, NO, UM VALIOSO PRODUTO NA FORMAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO.THE PRESENT INVENTION CONCERNS A METHOD FOR THE TREATMENT OF NITROUS OXIDE AND FORMATION OF NITRIC OXIDE, INCLUDING SUPPLYING A GAS CURRENT OF N2O TO THE REDUCTION CATALYST OF A MEMBRANE, SIMULTANEOUSLY WITH SUPPLYING A GAS CURRENT OF NH3 AO MEMBRANE OXIDATION CATALYST, WHERE BOTH MEMBRANE OXIDATION AND REDUCTION CATALYSTS ARE AT THE SAME REACTION TEMPERATURE. THIS IS A NEW N2O Abatement METHOD, WHICH CAN BE REINTEGRATED IN NITRIC ACID INSTALLATIONS TO TREAT N2O WHILE PRODUCING, IN A VALUABLE WAY, IN A VALUABLE PRODUCT IN THE FORMATION OF NITRIC ACID.

Description

DESCRIÇÃODESCRIPTION

MÉTODO PARA TRATAMENTO DE ÓXIDO NITROSOMETHOD FOR TREATMENT OF NITROUS OXIDE

E FORMAÇÃO DE ÓXIDO NÍTRICO EM SIMULTÂNEOAND SIMULTANEOUS NITRIC OXIDE FORMATION

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF THE INVENTION

A presente invenção refere-se a um método para o tratamento de óxido nitroso e formação de óxido nítrico, em simultâneo, respetivamente nos catalisadores de redução e oxidação de uma membrana, estando ambos os catalisadores de oxidação e redução da membrana à mesma temperatura de reação. Este é um novo método de abatimento de N2O, o qual pode ser reintegrado em instalações de ácido nítrico para tratar N2O enquanto se produz, de um modo vantajoso, NO, um valioso produto na formação de ácido nítrico.The present invention relates to a method for simultaneously treating nitrous oxide and nitric oxide formation, respectively, in the reduction and oxidation catalysts of a membrane, both oxidation and reduction catalysts of the membrane being at the same reaction temperature. . This is a new N2O abatement method which can be reintegrated into nitric acid plants to treat N2O while advantageously producing NO, a valuable product in the formation of nitric acid.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

A formação eletroquímica de óxido nítrico é um processo conhecido e tem sido abordado em diversos documentos da literatura, sendo particularmente o foco da seguinte literatura de patentes.The electrochemical formation of nitric oxide is a known process and has been covered in several literature documents, being particularly the focus of the following patent literature.

pedido de patente Europeia EP 0023813 refere-se a um método e aparelho para formar óxido nítrico (NO) a partir de amónia. Um gás contendo amónia é colocado em contacto com um catalisador de oxidação depositado numa superfície de um eletrólito sólido enquanto um gás contendo oxigénio é colocado em contacto com um segundo catalisador capaz de dissociar oxigénio gasoso em ião oxigénio depositado sobre uma segunda superfície do eletrólito sólido. 0 ião oxigénio é transportado através do eletrólito sólido para reagir com amónia para formar óxido nítrico sob produção simultânea de energia elétrica. Deste modo, o NO é formado pela oxidação eletroquímica de amónia (NH3) através de uma membrana condutora de ião óxido.European patent application EP 0023813 relates to a method and apparatus for forming nitric oxide (NO) from ammonia. A gas containing ammonia is placed in contact with an oxidation catalyst deposited on a surface of a solid electrolyte while a gas containing oxygen is placed in contact with a second catalyst capable of dissociating gaseous oxygen into oxygen ion deposited on a second surface of the solid electrolyte. The oxygen ion is transported through the solid electrolyte to react with ammonia to form nitric oxide under simultaneous production of electrical energy. Thus, NO is formed by the electrochemical oxidation of ammonia (NH3) through an oxide ion conducting membrane.

pedido de patente Internacional WO 2006041300 refere-se a um reator de membrana catalítico para a oxidação de NH3 em NO durante o fabrico de ácido nítrico, onde o reator de membrana compreende uma membrana condutora mista eletrónica e iónica que é capaz de transportar oxigénio, compreendendo um óxido multi-componente tendo uma perovesquite ou estrutura relacionada com perovesquite representada pela fórmula ΑχΑ’χΈθ3-ζ, em que A representa um elemento lantanídeo ou uma sua mistura, A’ representa um metal alcalinoterroso ou uma sua mistura, B representa um metal de transição ou uma sua mistura, x e x’ representam, cada, números de tal modo que 0 X^l,l, O^x’^1,1 e 0,9 (x+x’) 1,1, e z representa um número que torna a carga do composto neutra. A invenção refere-se também a um método para a oxidação de NH3 em NO. O produto e método de acordo com a invenção levam a seletividades de NO até 98% e ausência de formação de N2O durante a oxidação de NH3 a temperatura elevada, dando origem a um processo altamente eficiente e intensificado para o fabrico de ácido nítrico.International patent application WO 2006041300 relates to a catalytic membrane reactor for the oxidation of NH3 to NO during the manufacture of nitric acid, wherein the membrane reactor comprises a mixed electronic and ionic conductive membrane which is capable of transporting oxygen, comprising a multi-component oxide having a perovskite or perovskite-related structure represented by the formula ΑχΑ'χΈθ3-ζ, wherein A represents a lanthanide element or a mixture thereof, A' represents an alkaline earth metal or a mixture thereof, B represents a metal of transition or a mixture thereof, x and x' each represent numbers such that 0 X^l,l, O^x'^1,1 and 0,9 (x+x') 1,1, and z represents a number that makes the compound charge neutral. The invention also relates to a method for the oxidation of NH3 to NO. The product and method according to the invention lead to NO selectivities of up to 98% and no formation of N2O during the high temperature oxidation of NH3, resulting in a highly efficient and intensified process for the manufacture of nitric acid.

Uma das desvantagens dos atuais processos de fabrico de ácido nítrico, não eletroquímicos, é a emissão de N2O. Durante as últimas décadas, a concentração de óxido nitroso (N2O) na atmosfera tem aumentado a uma taxa de 0,2-0,3% por ano, levando aos níveis atuais que são 18% maiores do que aqueles antes da revolução industrial. Este é um fator de grande preocupação devido à grande contribuição do N2O para o aquecimento global (com um impacto 298 vezes maior do que o CO2) , com impactos negativos graves na diminuição da camada de ozono e alteração climática.One of the disadvantages of current non-electrochemical nitric acid manufacturing processes is the emission of N2O. During the last few decades, the concentration of nitrous oxide (N2O) in the atmosphere has been increasing at a rate of 0.2-0.3% per year, leading to current levels that are 18% higher than those before the industrial revolution. This is of great concern due to the large contribution of N2O to global warming (with an impact 298 times greater than CO2), with serious negative impacts on ozone depletion and climate change.

fabrico do ácido nítrico é a maior fonte única de emissões de N2O antropogénicas com 125xl06 t de equiv de CO2 produzidas por ano. Para referência, por cada tonelada de HNO3 produzida numa instalação de ácido nítrico típica, é produzido aproximadamente duas vezes esse número de toneladas de equiv de CO2 de N2O, destacando um sério impacto ambiental.manufacture of nitric acid is the largest single source of anthropogenic N2O emissions with 125xl0 6 t CO2 equiv produced per year. For reference, for every tonne of HNO3 produced in a typical nitric acid plant, approximately twice that number of tonnes of CO2 equiv of N2O is produced, highlighting a serious environmental impact.

Os processos típicos para o abatimento de N2O são aqueles de decomposição térmica ou catalítica. Não obstante, ambos estes métodos convertem ο N2O unicamente em calor e nos seus produtos de redução, nomeadamente aqueles de azoto e oxigénio. Para processos industriais típicos, os rendimentos de NO são geralmente 95-97%, com o restante sendo aproximadamente 1,5-2,5% de N2O e 4-4,5% de N2. Estimou-se que um aumento no rendimento de NO de 1% numa instalação de ácido nítrico, corresponderia aproximadamente a um lucro adicional de ~500 k€ por ano. Assim, embora resolvam a questão ambiental, os processos típicos para o abatimento do subproduto de N2O através da sua redução têm grandes impactos negativos no lucro.Typical processes for N2O abatement are those of thermal or catalytic decomposition. However, both of these methods convert ο N2O solely into heat and its reduction products, namely those of nitrogen and oxygen. For typical industrial processes, NO yields are generally 95-97%, with the remainder being approximately 1.5-2.5% N2O and 4-4.5% N2. It has been estimated that an increase in NO yield of 1% in a nitric acid plant would correspond approximately to an additional profit of ~500 k€ per year. Thus, although solving the environmental issue, typical processes for abatement of the N2O by-product through its reduction have major negative impacts on profit.

Considerando o acima, existe ainda a necessidade de proporcionar um método que proporcione menos emissões de óxido nitroso, enquanto forma ainda os produtos de reação pretendidos do processo de fabrico de ácido nítrico.Considering the above, there is still a need to provide a method that provides less nitrous oxide emissions, while still forming the desired reaction products of the nitric acid manufacturing process.

SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION

Surpreendentemente, o problema mencionado acima foi resolvido pela presente invenção.Surprisingly, the problem mentioned above has been solved by the present invention.

A presente invenção proporciona um método para o tratamento de óxido nitroso e formação de óxido nítrico, em simultâneo, caracterizado por compreender alimentar uma corrente gasosa de N2O ao catalisador de redução de uma membrana, em simultâneo com alimentação de uma corrente gasosa de NH3 ao catalisador de oxidação da referida membrana, em que ambos os catalisadores de oxidação e redução da membrana estão à mesma temperatura de reação.The present invention provides a method for simultaneously treating nitrous oxide and forming nitric oxide, characterized in that it comprises feeding a gaseous stream of N2O to the reduction catalyst of a membrane, simultaneously feeding a gaseous stream of NH3 to the catalyst. of oxidation of said membrane, wherein both oxidation and reduction catalysts of the membrane are at the same reaction temperature.

Numa forma de realização, o método da invenção compreende ainda um passo de pré-tratamento da membrana por fluxo de gases redutores no catalisador de oxidação. De um modo preferido, os gases redutores são selecionados de hidrogénio e amónia.In one embodiment, the method of the invention further comprises a step of pre-treating the membrane by flowing reducing gases onto the oxidation catalyst. Preferably, the reducing gases are selected from hydrogen and ammonia.

Noutra forma de realização, o método da invenção compreende ainda um passo de aquecimento da membrana até à temperatura de reação antes de alimentar os catalisadores de oxidação e redução da membrana.In another embodiment, the method of the invention further comprises a step of heating the membrane to the reaction temperature before feeding the oxidation and reduction catalysts to the membrane.

Numa forma de realização, a temperatura de reação do método da invenção varia entre 500-900 °C. Numa forma de realização preferida, a temperatura de reação do método da invenção varia entre 600-800 °C e numa forma de realização mais preferida, a temperatura de reação do método da invenção varia entre 650-750 °C.In one embodiment, the reaction temperature of the method of the invention ranges between 500-900 °C. In a preferred embodiment, the reaction temperature of the method of the invention ranges between 600-800°C and in a more preferred embodiment, the reaction temperature of the method of the invention ranges between 650-750°C.

Numa forma de realização da invenção, o catalisador de redução é constituído por um material de fórmula geral (Αι-χΑ’χ) a (B) bOc, em que A representa um elemento de terra rara ou uma sua mistura, A’ representa um metal alcalinoterroso ou uma sua mistura, B representa um metal de transição ou uma sua mistura, x, a e b representam números de tal modo que 0 x^l, 0,6 a ^1,4, 0,6 b 1,4, e c representa um número que torna a carga do composto neutra. De um modo preferido, o catalisador de redução é constituído por perovesquite ou material à base de perovesquite.In one embodiment of the invention, the reduction catalyst comprises a material of general formula (Αι-χΑ'χ) a (B) bO c , where A represents a rare earth element or a mixture thereof, A' represents an alkaline earth metal or a mixture thereof, B represents a transition metal or a mixture thereof, x, a and b represent numbers such that 0 x^1, 0.6 a ^1.4, 0.6 b 1.4, and c represents a number that makes the compound charge neutral. Preferably, the reduction catalyst comprises perovskite or perovskite-based material.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

A Figura 1A é uma representação esquemática de uma forma de realização do método da invenção numa célula de combustível tubular tendo uma membrana condutora de iões óxido pura: (1) representa um ânodo que oferece condutividade mista de eletrões e iões óxido e atividade catalítica para a reação de oxidação de NH3; (2) representa um eletrólito condutor puro de iões óxido; (3) um cátodo que oferece condutividade mista de eletrões e iões óxido e atividade catalítica para a reação de redução de N2O; e (4) representa um material de interconexão eletronicamente condutor.Figure 1A is a schematic representation of one embodiment of the method of the invention in a tubular fuel cell having a pure oxide ion conducting membrane: (1) It depicts an anode offering mixed conductivity of electrons and oxide ions and catalytic activity for the NH3 oxidation reaction; (2) represents a pure conductive electrolyte of oxide ions; (3) a cathode offering mixed conductivity of electrons and oxide ions and catalytic activity for the N2O reduction reaction; and (4) represents an electronically conductive interconnect material.

A Figura 1B é uma representação esquemática de várias células de combustível tubulares da Figura 1A ligadas por um material de interconexão eletronicamente condutor e assumindo assim uma configuração de pilha tubular.Figure 1B is a schematic representation of the plurality of tubular fuel cells of Figure 1A connected by an electronically conductive interconnecting material and thus assuming a tubular stack configuration.

A Figura 2 é uma representação esquemática de uma forma de realização do método da invenção numa configuração de célula de combustível planar tendo uma membrana condutora pura de iões óxido.Figure 2 is a schematic representation of one embodiment of the method of the invention in a planar fuel cell configuration having a pure oxide ion conductive membrane.

A Figura 3 é uma representação esquemática de uma forma de realização do método da invenção numa membrana condutora mista tubular: (5) representa um material que oferece atividade catalítica para a reação de oxidação de NH3 no lado do permeado; (6) representa uma membrana condutora mista de eletrões e iões óxido; e (7) representa um material no lado de alimentação que oferece condutividade mista de eletrões e iões óxido e atividade catalítica para a reação de redução de N2O.Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of the method of the invention in a tubular mixed conductive membrane: (5) represents a material offering catalytic activity for the NH 3 oxidation reaction on the permeate side; (6) represents a mixed conductive membrane of electrons and oxide ions; and (7) represents a material on the feed side that offers mixed conductivity of electrons and oxide ions and catalytic activity for the N2O reduction reaction.

A Figura 4 representa uma comparação do potencial celular teórico obtido (A) com o método da invenção utilizando uma membrana de eletrólito condutora pura de iões óxido e (B), com o método conhecido da técnica anterior (documento EP 0023813).Figure 4 represents a comparison of the theoretical cell potential obtained (A) with the method of the invention using a pure conductive electrolyte membrane of oxide ions and (B) with the method known from the prior art (EP 0023813).

A Figura 5 mostra os perfis de condutividade numa forma de realização preferida da invenção utilizando composições de ânodo de perovesquite LaxSr0.9-xFeo.4Tio.603-õ.Figure 5 shows conductivity profiles in a preferred embodiment of the invention using La x Sr0.9-xFeo.4Tio.603-6 perovskite anode compositions.

As Figuras 6 e 7 mostram os perfis de condutividade numa forma de realização preferida da invenção utilizando composições de eletrocatalisador de cátodo de perovesquite (LaSr) (Fe,Ti)03-δ.Figures 6 and 7 show the conductivity profiles in a preferred embodiment of the invention using peroveskite (LaSr)(Fe,Ti)03-δ cathode electrocatalyst compositions.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

O objetivo da presente invenção é um método para o tratamento de óxido nitroso e formação de óxido nítrico, em simultâneo, compreendendo alimentar uma corrente gasosa de N2O ao catalisador de redução de uma membrana, em simultâneo com alimentação de uma corrente gasosa de NH3 ao catalisador de oxidação da referida membrana, em que ambos os catalisadores de oxidação e redução da membrana estão à mesma temperatura de reação.The object of the present invention is a method for simultaneously treating nitrous oxide and forming nitric oxide, comprising feeding a gaseous stream of N2O to the reduction catalyst of a membrane, simultaneously feeding a gaseous stream of NH3 to the catalyst of oxidation of said membrane, wherein both oxidation and reduction catalysts of the membrane are at the same reaction temperature.

Surpreendentemente, o método da invenção realiza simultaneamente reações de oxidação e redução respetivamente envolvidas na formação de óxido nítrico e tratamento de óxido nitroso. Isto é devido à presença de uma membrana tendo catalisadores de oxidação e redução, estando ambos os catalisadores à mesma temperatura de reação, promovendo desse modo a conversão de N2O em N2 eletroquimicamente à mesma temperatura que ο NH3 oxida a NO, no lado inverso.Surprisingly, the method of the invention simultaneously performs oxidation and reduction reactions respectively involved in nitric oxide formation and nitrous oxide treatment. This is due to the presence of a membrane having oxidation and reduction catalysts, both catalysts being at the same reaction temperature, thereby promoting the conversion of N2O to N2 electrochemically at the same temperature as ο NH3 oxidizes to NO, on the reverse side.

Considerando os métodos conhecidos para formar óxido nítrico e ácido nítrico, o especialista não esperaria que a utilização de uma única temperatura de reação para ambos os catalisadores de oxidação e redução de uma membrana proporcionasse um método viável, visto que cada reação de oxidação e redução tem requisitos específicos a serem cumpridos para que ocorra.Considering the known methods for forming nitric oxide and nitric acid, one skilled in the art would not expect that using a single reaction temperature for both oxidation and reduction catalysts on a membrane would provide a viable method, as each oxidation and reduction reaction has specific requirements to be met for it to occur.

Além disso, o óxido nitroso, o qual é um gás poluente formado durante o processo de fabrico comum do ácido nítrico, como um produto secundário indesejado, é agora reintegrado pelo método da presente invenção devido à temperatura de reação viável de ambos os lados da membrana de catalisador. Assim, esta recuperação e reutilização do óxido nitroso no método da invenção reduz claramente (ou elimina mesmo) a sua emissão para a atmosfera como um gás nocivo. Deste modo, não era esperado que ocorresse com sucesso o tratamento de óxido nitroso e formação de óxido nítrico em simultâneo.Furthermore, nitrous oxide, which is a polluting gas formed during the common manufacturing process of nitric acid, as an unwanted side product, is now reintegrated by the method of the present invention due to the feasible reaction temperature of both sides of the membrane. of catalyst. Thus, this recovery and reuse of nitrous oxide in the method of the invention clearly reduces (or even eliminates) its emission into the atmosphere as a noxious gas. Thus, it was not expected that nitrous oxide treatment and nitric oxide formation would successfully occur simultaneously.

Assim, o método da presente invenção permite que o outrora óxido nitroso químico ambientalmente prejudicial seja convertido eficaz e simultaneamente em óxido nítrico e azoto, sendo o primeiro benéfico para diversos processos químicos, tal como formação de ácido nítrico, enquanto o último pode ser libertado com segurança para a atmosfera.Thus, the method of the present invention allows the once environmentally harmful chemical nitrous oxide to be efficiently and simultaneously converted into nitric oxide and nitrogen, the former being beneficial for various chemical processes such as nitric acid formation, while the latter can be released with safety for the atmosphere.

Além do acima, o método da presente invenção remove ainda a necessidade de fornecer oxigénio molecular ao lado de redução da membrana. 0 método da invenção produz os iões óxido necessários no respetivo cátodo ou lado de alimentação da célula eletroquímica pela decomposição intrínseca de N2O diretamente em iões óxido no cátodo devido à presença de um catalisador adequado no lado de redução.In addition to the above, the method of the present invention further removes the need to supply molecular oxygen to the reducing side of the membrane. The method of the invention produces the necessary oxide ions at the respective cathode or feed side of the electrochemical cell by the intrinsic decomposition of N2O directly into oxide ions at the cathode due to the presence of a suitable catalyst at the reduction side.

Além disso, o método da invenção proporciona um potencial celular superior em comparação com métodos conhecidos da técnica anterior (Figura 4). Este aumenta a força motriz para migração de iões óxido, melhorando a sua eficiência. A invenção proporciona um novo método de abatimento de N2O, o qual pode ser reintegrado em instalações de ácido nítrico para tratar N2O enquanto se produz, de um modo vantajoso, NO, um produto valioso na formação de ácido nítrico.Furthermore, the method of the invention provides superior cellular potential compared to methods known from the prior art (Figure 4). This increases the driving force for oxide ion migration, improving its efficiency. The invention provides a new N2O abatement method which can be reintegrated into nitric acid plants to treat N2O while advantageously producing NO, a valuable product in the formation of nitric acid.

método da invenção compreende ainda um passo adicional que é um pré-tratamento da membrana por fluxo de gases redutores no catalisador de oxidação, sendo os gases redutores selecionados de hidrogénio e amónia, para ativar o catalisador de oxidação.The method of the invention further comprises an additional step which is a pre-treatment of the membrane by flowing reducing gases into the oxidation catalyst, the reducing gases being selected from hydrogen and ammonia, to activate the oxidation catalyst.

Além disso, o método pode compreender um passo de aquecimento da membrana até à temperatura de reação antes de alimentar os gases nos catalisadores de oxidação e redução da membrana, evitando perda destes precursores de reação.Furthermore, the method may comprise a step of heating the membrane to the reaction temperature before feeding the gases into the membrane oxidation and reduction catalysts, preventing loss of these reaction precursors.

Como já indicado, a temperatura de reação é um parâmetro critico para realizar o método da invenção. A temperatura da reação varia entre 500-900 °C, de um modo preferido, 600-800 °C e, de um modo mais preferido, 650-750 °C.As already indicated, the reaction temperature is a critical parameter for carrying out the method of the invention. The reaction temperature ranges between 500-900°C, preferably 600-800°C, and more preferably 650-750°C.

O catalisador de redução utilizado no método da invenção deve ser constituído por um material que permite uma atividade catalítica elevada para a reação de redução de N2O. O referido material é de fórmula geral (Αι-χΑ’χ) a (B) b0c, em que A representa um elemento de terra rara ou uma sua mistura, A’ representa um metal alcalinoterroso ou uma sua mistura, B representa um metal de transição ou uma sua mistura, x, a e b representam números de tal modo que 0 x^l, 0,6 a 1,4, 0,6 b 1,4, e c representa um número que torna a carga do composto neutra. De um modo preferido, o catalisador de redução é constituído por perovesquite ou material à base de perovesquite, tal como eletrocatalisadores à base de (La, Sr) (Fe, Ti) 03-δ. Os eletrocatalisadores constituídos pelos referidos materiais contêm teores elevados de La e Fe, oferecendo desse modo elevada atividade catalítica e também elevada condutividade eletrónica e de iões óxido nas condições oxidantes do compartimento do cátodo para beneficiar a reação eletroquímica. O catalisador de redução utilizado no método da mesma invenção está concebido para converter N2O em azoto, electroquimicamente, à mesma temperatura de reação que os catalisadores de oxidação de NH3 no lado inverso.The reduction catalyst used in the method of the invention must consist of a material that allows a high catalytic activity for the N2O reduction reaction. Said material has the general formula (Αι-χΑ'χ) a (B) b0 c , where A represents a rare earth element or a mixture thereof, A' represents an alkaline earth metal or a mixture thereof, B represents a metal of transition or a mixture thereof, x, a and b represent numbers such that 0 x^1, 0.6 to 1.4, 0.6 b 1.4, and c represents a number that makes the compound charge neutral. Preferably, the reduction catalyst comprises perovskite or perovskite-based material, such as (La, Sr) (Fe, Ti) δ-based electrocatalysts. The electrocatalysts made of these materials contain high levels of La and Fe, thus offering high catalytic activity and also high electronic and oxide ion conductivity in the oxidizing conditions of the cathode compartment to benefit the electrochemical reaction. The reduction catalyst used in the method of the same invention is designed to electrochemically convert N2O to nitrogen at the same reaction temperature as the NH3 oxidation catalysts on the reverse side.

Numa forma de realização, uma membrana tubular compreendendo um ânodo condutor misto de eletrões e iões óxido, tal como aquele de uma perovesquite ou material à base de perovesquite, Lni-xAxMOs, onde Ln é um elemento de terra rara, A é um metal alcalinoterroso e M é um metal de transição ou mistura de metais de transição, contendo preferencialmente Fe, é fabricada por extrusão em estado verde contendo um formador de poro.In one embodiment, a tubular membrane comprising a mixed conductive anode of electrons and oxide ions, such as that of a perovskite or perovskite-based material, Lni-xAxMOs, where Ln is a rare earth element, A is an alkaline earth metal and M is a transition metal or mixture of transition metals, preferably containing Fe, is manufactured by green extrusion containing a pore former.

A Figura 5 mostra um exemplo de seleção de composição de ânodo num sistema de perovesquite contendo (La, Sr) (Fe,Ti)Os-õ, em particular, potenciais composições de eletrocatalisador de ânodo de perovesquite LaxSr0.9-xFeo.4Tio.603-õ onde é claramente observado que são obtidas condutividades superiores em materiais que contêm teores de La superiores nas condições redutoras do compartimento do ânodo (IO-12 Pa) . Em alternativa, numa forma de realização para melhor desempenho, o ânodo pode ser formado a partir de uma mistura compósita de um óxido cerâmico condutor de iões óxido ou um óxido cerâmico condutor misto de eletrões e iões óxido, onde a segunda fase do compósito é aquela da fase que oferece condutividade eletrónica elevada, tal como um metal ou mistura de metais, preferencialmente aqueles de Pt, Pd, Ni, Cu, ou Co, ou uma fase cerâmica que oferece condutividade eletrónica elevada em atmosferas redutoras. Neste tubo extrudido é formada uma camada fina de um eletrólito condutor de iões óxido, tal como zircónia estabilizada com itria, por um processo adequado, tal como revestimento por imersão. Com o objetivo de reduzir as perdas de potencial de resistência óhmica, a espessura da camada do eletrólito deve ser minimizada, com espessuras inferiores a 20 pm sendo preferidas para temperaturas de trabalho alvo <600 °C. Uma camada adicional é depositada sobre o eletrólito para formar o cátodo, de um único material ou material compósito, o que oferece condutividade mista de eletrões e iões óxido e atividade catalítica para redução de N20 e que está concebida para ser cataliticamente ativa para a reação de redução de N2O à mesma temperatura que a reação de oxidação de NH3 no lado oposto da célula. Exemplos, tal como perovesquite ou material à base de perovesquite, tal como LnixAxMOs, ou LnlYkCU onde Ln é um elemento de terra rara, A é um metal alcalinoterroso e M é um metal de transição ou mistura de metais de transição, preferencialmente contendo Fe, Co, Cu ouFigure 5 shows an example of anode composition selection in a perovskite system containing (La,Sr)(Fe,Ti)Os-6, in particular potential La x Sr0.9-xFeo perovskite anode electrocatalyst compositions. 4Thio.603-6 where it is clearly seen that higher conductivities are obtained in materials containing higher La contents under the reducing conditions of the anode compartment (10 -12 Pa). Alternatively, in one embodiment for better performance, the anode may be formed from a composite mixture of an oxide ion-conducting ceramic oxide or a mixed electron-oxide ion-conducting ceramic oxide, where the second phase of the composite is that phase offering high electronic conductivity, such as a metal or mixture of metals, preferably those of Pt, Pd, Ni, Cu, or Co, or a ceramic phase offering high electronic conductivity in reducing atmospheres. On this extruded tube a thin layer of an oxide ion conducting electrolyte such as yttria-stabilized zirconia is formed by a suitable process such as dip coating. In order to reduce ohmic resistance potential losses, electrolyte layer thickness should be minimized, with thicknesses less than 20 pm being preferred for target working temperatures <600 °C. An additional layer is deposited over the electrolyte to form the cathode, of a single material or composite material, which offers mixed conductivity of electrons and oxide ions and catalytic activity for N 2 0 reduction and which is designed to be catalytically active for the N2O reduction reaction at the same temperature as the NH3 oxidation reaction on the opposite side of the cell. Examples such as perovskite or perovskite-based material such as LnixAxMOs, or LnlYkCU where Ln is a rare earth element, A is an alkaline earth metal and M is a transition metal or mixture of transition metals, preferably containing Fe, Co, ass or

Ni, ou materiais da estrutura espinela AB2O4, onde A e B na estrutura espinela podem ser catiões divalentes, trivalentes, ou tetravalentes, de um modo preferido, contendo concentrações elevadas de elementos de transição, tal como Fe, Co, Cu ou Ni.Ni, or materials of the AB2O4 spinel structure, where A and B in the spinel structure may be divalent, trivalent, or tetravalent cations, preferably containing high concentrations of transition elements, such as Fe, Co, Cu, or Ni.

A Figura 6 mostra um exemplo de seleção de composição de cátodo num sistema de perovesquite contendo (La, Sr) (Fe, Ti) 03-δ, onde é claramente observado que são obtidas condutividades superiores em materiais que contêm teores inferiores de La e superiores de Fe nas condições oxidantes do compartimento do cátodo. Estas fases podem ser combinadas com fases condutoras de iões óxido, tal como zircónia estabilizada com ítria, para formar os requisitos globais do cátodo de condutividade mista de eletrões e iões óxido e atividade catalítica para redução de N2O. A combinação de ânodo-eletrólito e cátodo forma uma unidade de elétrodo-membrana (MEA), uma unidade de repetição que pode ser combinada em série para produzir voltagem superior, e/ou em paralelo para permitir uma corrente superior onde cada unidade é separada por um material de interconexão eletronicamente condutor. A formação da MEA funcional pode ser formada por um passo de sinterização único, envolvendo a MEA completa, ou em dois passos, em primeiro lugar onde o ânodo e o eletrólito são sinterizados a uma temperatura elevada, de um modo preferido, na gama de 1300-1600 °C, seguido por um segundo passo de sinterização a temperatura inferior, de um modo preferido, na gama de 1000-1300 °C, após deposição do cátodo. Na primeira opção, é benéfico adicionar um agente formador de poro ao cátodo antes da sua deposição. 0 NH3 é passado no compartimento do ânodo e ο N2O é passado no compartimento do cátodo. 0 N2O é reduzido no lado do cátodo produzindo azoto, assim, convertendo este gás outrora poluente no produto de azoto ambientalmente seguro, enquanto proporciona também iões óxido dissociados que são subsequentemente transportados através da membrana para o ânodo. No ânodo, estes iões óxido levam à oxidação de NH3 gasoso em NO. Eletricidade e calor são simultaneamente proporcionados por esta forma de realização. As temperaturas de trabalho típicas desta forma de realização estarão na gama de 500-900 °C. Além disso, a informação termodinâmica proporcionada na Figura 4 realça que esta forma de realização proporciona um método que é espontâneo e que pode ser utilizado para gerar eletricidade.Figure 6 shows an example of cathode composition selection in a perovskite system containing (La, Sr) (Fe, Ti) 03-δ, where it is clearly observed that higher conductivities are obtained in materials containing lower and higher La contents. of Fe in the oxidizing conditions of the cathode compartment. These phases can be combined with oxide ion conductive phases, such as yttria-stabilized zirconia, to form the cathode's overall requirements of mixed conductivity of electrons and oxide ions and catalytic activity for N2O reduction. The anode-electrolyte and cathode combination forms an electrode-membrane unit (MEA), a repeating unit that can be combined in series to produce higher voltage, and/or in parallel to allow higher current where each unit is separated by an electronically conductive interconnecting material. The formation of the functional MEA can be formed by a single sintering step, involving the complete MEA, or in two steps, firstly where the anode and electrolyte are sintered at an elevated temperature, preferably in the range of 1300 -1600 °C, followed by a second sintering step at a lower temperature, preferably in the range of 1000-1300 °C, after cathode deposition. In the first option, it is beneficial to add a pore-forming agent to the cathode before its deposition. 0 NH3 is passed in the anode compartment and ο N2O is passed in the cathode compartment. The N2O is reduced on the cathode side producing nitrogen, thus converting this formerly polluting gas into the environmentally safe nitrogen product, while also providing dissociated oxide ions which are subsequently transported through the membrane to the anode. At the anode, these oxide ions lead to the oxidation of gaseous NH3 to NO. Electricity and heat are simultaneously provided by this embodiment. Typical working temperatures of this embodiment will be in the range 500-900°C. Furthermore, the thermodynamic information provided in Figure 4 highlights that this embodiment provides a method which is spontaneous and which can be used to generate electricity.

Numa forma de realização adicional, é formado uma configuração de MEA planar compreendendo os mesmos materiais de ânodo, eletrólito e cátodo. Nesta forma de realização, a combinação de camadas de ânodo, eletrólito e cátodo planares forma uma unidade de elétrodo-membrana (MEA) planar, uma unidade de repetição que pode ser combinada em série para produzir voltagem superior, e/ou em paralelo para permitir uma corrente superior onde cada unidade é separada por um material de interconexão eletronicamente condutor. As fugas de gás entre cada camada são geridas utilizando vedantes cerâmicos ou de vidro. As condições de funcionamento desta célula planar são aquelas definidas para a configuração tubular anterior. Nesta forma de realização, é proporcionado, em simultâneo, a conversão de N2O no produto útil NO, um precursor de processos industriais, tal como síntese de ácido nítrico, o ambientalmente inofensivo N2 bem como a produção de calor e eletricidade. Além disso, a informação termodinâmica proporcionada na Figura 4 realça que esta forma de realização proporciona um método que é espontâneo e que pode ser utilizado para gerar eletricidade.In a further embodiment, a planar MEA configuration comprising the same anode, electrolyte and cathode materials is formed. In this embodiment, the combination of planar anode, electrolyte, and cathode layers forms a planar membrane electrode unit (MEA), a repeating unit that can be combined in series to produce higher voltage, and/or in parallel to allow a higher current where each unit is separated by an electronically conductive interconnecting material. Gas leaks between each layer are managed using ceramic or glass seals. The operating conditions of this planar cell are those defined for the previous tubular configuration. In this embodiment, simultaneous conversion of N2O to the useful product NO, a precursor to industrial processes such as nitric acid synthesis, the environmentally harmless N2 as well as the production of heat and electricity, is provided. Furthermore, the thermodynamic information provided in Figure 4 highlights that this embodiment provides a method which is spontaneous and which can be used to generate electricity.

Numa forma de realização, uma membrana tubular compreendendo um material condutor misto de eletrões e iões óxido, tal como aquele de uma perovesquite ou material à base de perovesquite, Lni-xAxMOs, onde Ln é um elemento de terra rara, A é um metal alcalinoterroso e M é um metal de transição ou mistura de metais de transição, preferencialmente contendo Fe, é fabricada por extrusão em estado verde. Este tubo extrudido é densifiçado por sinterização a temperatura elevada, alta o suficiente para remover toda a porosidade aberta. No lado de alimentação deste tubo, é também proporcionado um eletrocatalisador adequado que está concebido para ser cataliticamente ativo para a reação de redução de N2O à mesma temperatura que a reação de oxidação de NH3 no lado oposto da célula. Exemplos de materiais catalisadores adequados são perovesquite ou materiais à base de perovesquite, tal como Lni-xAxM03, ou LnM2O4 onde Ln é um elemento de terra de rara, A é um metal alcalinoterroso e M é um metal de transição ou mistura de metais de transição, preferencialmente contendo Fe, Co, Cu ou Ni, ou materiais da estrutura espinela AB2O4, onde A e B na estrutura espinela podem ser catiões divalentes, trivalentes, ou tetravalentes, de um modo preferido contendo concentrações elevadas de elementos de transição, tal como Fe, Co, Cu ou Ni. No lado do permeado, podem ser empregues catalisadores para promover a oxidação de NH3, tal como perovesquite ou material à base de perovesquite, Lni-xAxM03, onde Ln é um elemento de terra rara, A é um metal alcalinoterroso e M é um metal de transição ou mistura de metais de transição, preferencialmente contendo Fe, ou uma mistura compósita de um óxido de cerâmica condutor de iões óxido ou um óxido de cerâmica condutor misto de eletrões e iões óxido, onde a segunda fase do compósito oferece condutividade eletrónica elevada, tal como um metal ou mistura de metais que oferecem desempenho catalítico, preferencialmente aqueles de Pt, Pd, Ag, Ni, Cu, ou Co.In one embodiment, a tubular membrane comprising a mixed conductive material of electrons and oxide ions, such as that of a perovskite or perovskite-based material, Lni-xAxMOs, where Ln is a rare earth element, A is an alkaline earth metal and M is a transition metal or transition metal mixture, preferably containing Fe, is manufactured by green extrusion. This extruded tube is densified by sintering at elevated temperature, high enough to remove all open porosity. On the feed side of this tube, a suitable electrocatalyst is also provided which is designed to be catalytically active for the N2O reduction reaction at the same temperature as the NH3 oxidation reaction on the opposite side of the cell. Examples of suitable catalyst materials are perovskite or perovskite-based materials, such as Lni- x A x M03, or LnM2O4 where Ln is a rare earth element, A is an alkaline earth metal and M is a transition metal or mixture of transition metals, preferably containing Fe, Co, Cu or Ni, or materials of the AB2O4 spinel structure, where A and B in the spinel structure may be divalent, trivalent, or tetravalent cations, preferably containing high concentrations of transition elements, such as Fe, Co, Cu or Ni. On the permeate side, catalysts may be employed to promote NH3 oxidation, such as perovskite or perovskite-based material, Lni- x A x M03, where Ln is a rare earth element, A is an alkaline earth metal, and M is a transition metal or mixture of transition metals, preferably containing Fe, or a composite mixture of an oxide ion-conducting ceramic oxide or a mixed electron-conductive ceramic oxide and oxide ions, where the second phase of the composite provides electronic conductivity high, such as a metal or mixture of metals offering catalytic performance, preferably those of Pt, Pd, Ag, Ni, Cu, or Co.

As Figuras 5, 6 e 7 mostram exemplos de seleção de composição num sistema de perovesquite contendo (La, Sr) (Fe,Ti)O3-õ adaptado para funcionar à mesma temperatura para redução de N2O e oxidação de NH3 em simultâneo, de tal modo que estas reações proporcionam o tratamento de N2O enquanto produzem NO, o qual é um produto valioso na formação de ácido nítrico. 0 NH3 é passado no compartimento de permeado e ο N2O é passado no compartimento de alimentação. 0 N2O é reduzido no lado de alimentação produzindo azoto, assim, convertendo este gás outrora poluente no produto de azoto ambientalmente seguro, enquanto também proporciona iões óxido dissociados que são subsequentemente transportados através do lado de permeado da membrana condutora mista. No lado do permeado, estes iões óxido levam à oxidação de NH3 gasoso em NO. É proporcionado calor simultaneamente. As temperaturas de trabalho típicas desta forma de realização estarão na gama de 500-900 °C. Nesta forma de realização, o método proporciona, em simultâneo, a conversão de N2O no produto útil NO, um precursor de processos industriais, tal como síntese de ácido nítrico, o ambientalmente inofensivo N2 bem como a produção de calor.Figures 5, 6 and 7 show examples of composition selection in a perovskite system containing (La, Sr) (Fe,Ti)O3-6 adapted to operate at the same temperature for N2O reduction and NH3 oxidation simultaneously, so that so that these reactions provide N2O treatment while producing NO, which is a valuable product in the formation of nitric acid. 0 NH3 is passed in the permeate compartment and ο N2O is passed in the feed compartment. The N2O is reduced on the feed side producing nitrogen, thus converting this formerly polluting gas into the environmentally safe nitrogen product, while also providing dissociated oxide ions which are subsequently transported through the permeate side of the mixed conductive membrane. On the permeate side, these oxide ions lead to the oxidation of gaseous NH3 to NO. Heat is provided simultaneously. Typical working temperatures of this embodiment will be in the range 500-900°C. In this embodiment, the method simultaneously provides for the conversion of N2O to the useful product NO, a precursor to industrial processes such as nitric acid synthesis, the environmentally harmless N2 as well as heat production.

Além disso, a Figura 4 realça que a referida forma de realização oferece um método que é espontâneo. A Figura 4 revela que o método da invenção proporciona conversão completa de N2O em N2 no cátodo e NH3 em NO no ânodo, quando uma membrana de eletrólito condutora pura de iões óxido é utilizada, gerando desse modo uma força motriz muito superior para migração de iões óxido. Pelo contrário, os métodos da técnica anterior descrevem a utilização de oxigénio ou de um gás contendo oxigénio no lado do cátodo (alimentação) (onde o oxigénio está presente, ao invés, na sua forma molecular) e onde não é realizada simultaneamente decomposição eletrocatalitica de N2O. Esta figura demonstra que, além do abatimento do N2O e produção de produto NO útil, é proporcionado um potencial celular superior pelo método da presente invenção, aumentando assim, de um modo vantajoso, a força motriz para migração de iões óxido, melhorando a eficiência do processo.Furthermore, Figure 4 highlights that said embodiment offers a method that is spontaneous. Figure 4 reveals that the method of the invention provides complete conversion of N2O to N2 at the cathode and NH3 to NO at the anode when a pure oxide ion conductive electrolyte membrane is used, thereby generating a much greater driving force for ion migration. oxide. On the contrary, prior art methods describe the use of oxygen or an oxygen-containing gas on the cathode (feed) side (where oxygen is present instead in its molecular form) and where electrocatalytic decomposition of N2O. This figure demonstrates that, in addition to N2O abatement and production of useful NO product, a higher cellular potential is provided by the method of the present invention, thereby advantageously increasing the driving force for oxide ion migration, improving the efficiency of the process.

Numa forma de realização adicional, é formada uma célula eletroquimica planar compreendendo os mesmos materiais dos componentes. Nesta forma de realização, a combinação destes componentes forma uma unidade planar. As fugas de gás são geridas utilizando vedantes cerâmicos ou de vidro. As condições de funcionamento deste dispositivo planar são aquelas definidas para a configuração tubular anterior.In a further embodiment, a planar electrochemical cell comprising the same materials as the components is formed. In this embodiment, the combination of these components forms a planar unit. Gas leaks are managed using ceramic or glass seals. The operating conditions of this planar device are those defined for the previous tubular configuration.

Numa forma de realização adicional, uma mistura de gases que contém NO e o produto secundário indesejado N2O é passada ao longo do cátodo ou lado de alimentação dos dispositivos mencionados acima. Aqui, o método de redução desejado (aquele da redução de N2O) é preferencialmente visado em relação àquele da redução de NO devido ao controlo da temperatura na gama de 500700 °C e seleção do catalisador de redução. Nesta forma de realização esta seletividade para a redução de N2O é intrinsecamente obtida beneficiando das cinéticas mais lentas da redução de NO em comparação com aquelas da redução de N2O, de modo a diferenciar o composto que sofre preferencialmente redução. Nesta forma de realização, a invenção evita, deste modo, a necessidade de pré-separação de N2O do produto contendo NO da redução de NH3, uma caracteristica altamente atrativa para a sua implementação por reintegração no processo do ácido nítrico. Isto é possível devido a uma temperatura de reação idêntica que é especificamente selecionada para selecionar, preferencialmente, a redução de N2O em vez da redução de NO.In a further embodiment, a gas mixture containing NO and the unwanted by-product N2O is passed along the cathode or feed side of the devices mentioned above. Here, the desired reduction method (that of N2O reduction) is preferred over that of NO reduction due to temperature control in the range of 500700°C and selection of the reduction catalyst. In this embodiment this selectivity for N2O reduction is intrinsically achieved by taking advantage of the slower kinetics of NO reduction compared to those of N2O reduction, in order to differentiate the compound that preferentially undergoes reduction. In this embodiment, the invention thus avoids the need for pre-separation of N2O from the NO-containing product of NH3 reduction, a highly attractive feature for its implementation by reintegration into the nitric acid process. This is possible due to an identical reaction temperature that is specifically selected to preferentially select N2O reduction over NO reduction.

Claims (8)

REIVINDICAÇÕES 1. Método para o tratamento de óxido nitroso e formação de óxido nítrico, em simultâneo, caracterizado por compreender alimentar uma corrente gasosa de N2O ao catalisador de redução de uma membrana, em simultâneo com alimentação de uma corrente gasosa de NH3 ao catalisador de oxidação da referida membrana, em que ambos os catalisadores de oxidação e redução da membrana estão à mesma temperatura de reação e em que o catalisador de redução é constituído por um material de fórmula geral (AixA'x) a (B) bOc, em que A representa um elemento de terra rara ou uma sua mistura, A' representa um metal alcalinoterroso ou uma sua mistura, B representa um metal de transição ou uma sua mistura, x, a e b representam números de tal modo que 0 < x <1, 0,6 < a d 1,4, 0,6 < b d 1,4, e c representa um número que torna a carga do composto neutra.1. Method for simultaneously treating nitrous oxide and forming nitric oxide, characterized in that it comprises feeding a gaseous stream of N2O to the reduction catalyst of a membrane, simultaneously feeding a gaseous stream of NH3 to the oxidation catalyst of the membrane. said membrane, in which both the membrane oxidation and reduction catalysts are at the same reaction temperature and in which the reduction catalyst is constituted by a material of general formula (AixA'x) a (B) bO c , in which A represents a rare earth element or a mixture thereof, A' represents an alkaline earth metal or a mixture thereof, B represents a transition metal or a mixture thereof, x, a and b represent numbers such that 0 < x < 1, 0, 6 < ad 1.4, 0.6 < bd 1.4, and c represents a number that makes the compound charge neutral. 2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um passo de pré-tratamento da membrana por fluxo de gases redutores no catalisador de oxidação.Method according to claim 1, characterized in that it further comprises a step of pre-treating the membrane by flowing reducing gases into the oxidation catalyst. 3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os gases redutores serem selecionados de hidrogénio e amónia.Method according to claim 2, characterized in that the reducing gases are selected from hydrogen and ammonia. 4. Método de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender ainda um passo de aquecimento da membrana até à temperatura de reação antes de alimentar os catalisadores de oxidação e redução da membrana.Method according to claims 1 to 3, characterized in that it further comprises a step of heating the membrane to the reaction temperature before feeding the membrane oxidation and reduction catalysts. 5. Método de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a temperatura de reação variar entre 500900 °C.5. Method according to any of claims 1 to 4, characterized in that the reaction temperature varies between 500900 °C. 6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a temperatura de reação variar entre 600-800 °C.6. Method according to claim 5, characterized in that the reaction temperature varies between 600-800°C. 7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a temperatura de reação variar entre 650-750 °C.7. Method according to claim 6, characterized in that the reaction temperature varies between 650-750°C. 8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o catalisador de redução ser constituído por perovesquite ou material à base de perovesquite.Method according to claim 1, characterized in that the reduction catalyst is constituted by perovskite or material based on perovskite.
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