ES2222237T3 - Reactor para el tratamiento con plasma de gases. - Google Patents

Abstract

Método de tratamiento de gases que contienen óxidos de nitrógeno, materiales particulados carbonosos, que incluyen hollín, hidrocarburos y otros constituyentes residuales, que incluyen oxígeno, método que comprende hacer pasar los gases a través de un reactor que comprende un lecho de material (320) activo en un recinto que tiene conductos (301, 302) de flujo de gas para dirigir el flujo de gas a través o sobre el lecho de material (320) activo, aplicar un potencial eléctrico para generar un plasma no térmico en el gas que penetra en el material activo, caracterizado porque el potencial eléctrico se aplica para generar dicho plasma no térmico durante el paso a través del material activo de los gases que se someten al tratamiento y dicho material (320) activo comprende al menos un componente que es tal como para adsorber o atrapar selectivamente materiales particulados carbonosos que incluyen hollín.

Description

Reactor para el tratamiento con plasma de gases.

La invención se refiere a un método para el tratamiento con plasma de gases utilizando un plasma no térmico.

Existe un interés creciente en el uso de plasmas no térmicos para el tratamiento de efluentes gaseosos y en particular para el tratamiento de gases de escape procedentes de vehículos a motor. El tratamiento de los gases de escape implica la conversión de componentes de escape perjudiciales, tales como hidrocarburos, en dióxido de carbono y agua, así como de los componentes de NO_{x} perjudiciales de los gases de escape en nitrógeno. En el caso de motores de combustión pobre tales como los diesel, existe un requerimiento de eliminación de los materiales particulados carbonosos, por ejemplo, mediante oxidación a dióxido de carbono. Ejemplos de tratamiento no térmico de gases de escape se describen en los documentos US 3.983.021 (Monsanto), US 5.147.516 (Tecogen) y US 5.254.231 (Battelle Memorial Institute). El documento GB 2.274.412 (AEA Technology) describe un método para el tratamiento de emisiones diesel mediante un plasma no térmico para la oxidación de los materiales particulados carbonosos y la reducción de NO_{x} a nitrógeno.

El documento US 5.746.984 describe un sistema en el que un dispositivo de almacenamiento recoge emisiones de NO_{x}, hidrocarburo o material particulado, o una mezcla de estas emisiones, durante una fase de almacenamiento mientras las condiciones en el gas son oxidantes y destruye las emisiones recogidas en un reactor de plasma durante una fase de destrucción mientras las condiciones en el gas son no oxidantes. Existe la indicación de que se prefiere mantener una atmósfera oxidante incluso durante la fase de destrucción, pero no hay indicación de cómo puede destruirse el NO_{x} en tales condiciones.

El documento US 5.715.677 describe un sistema en el que el NO_{x} se absorbe en primer lugar sobre un lecho absorbente sólido que actúa simultáneamente como una trampa física para la materia particulada. El lecho se regenera en un proceso separado, de segunda fase, mediante la descomposición de NO_{x} con plasma pulsado seguido por oxidación al aire de la materia particulada atrapada. Se utilizan dos lechos y se cambian alternativamente desde la fase de absorción hasta la fase de regeneración de modo que puede tratarse un flujo continuo de gas.

Los documentos JP 11114359 y JP 11114351 también describen sistemas para adsorber constituyentes gaseosos volátiles sobre un adsorbente y regenerar el adsorbente en un plasma.

El plasma puede utilizarse para activar o producir especies reactivas, que entonces reaccionan posteriormente con o sin mejora catalítica para producir los productos deseables. Por ejemplo, la publicación WO99/12638 describe la producción con plasma de hidrocarburos activados por plasma como un precursor de la reducción catalítica selectiva de NO_{x} a N_{2}. Ejemplos de catalizadores para esta reducción selectiva de NO_{x} a nitrógeno son metal alcalino intercambiado en zeolita Y o aluminato de plata. Son materiales adecuados otro material de zeolita intercambiada con metal o dopada con metal tal como las conocidas como Cu/ZSM-5, Fe/ZSM-5, Co/ZSM-5, zeolita beta y zeolitas intercambiadas con hidrógeno tales como H-ZSM-5. Otros catalizadores adecuados son las alúminas, incluyendo las fases cristalinas alfa, gamma, chi y otras, óxidos de titanio, zirconio, cerio y vanadio, perovskitas, espinelas y mezclas de estos materiales. Los óxidos inorgánicos dopados con metal tales como las alúminas dopadas con cobalto, son también materiales adecuados. También se describen ejemplos de catalizadores adecuados en el artículo "Selective catalytic reduction of NOx with N-free reductants" de M Shelef publicado en Chem Rev 1995, págs. 209-225.

En tales procedimientos con plasma mejorados catalíticamente, se producen a menudo especies reactivas tales como hidrocarburos activados por plasma, que pueden incluir hidrocarburos oxigenados, como productos intermedios, por ejemplo, en la descomposición por etapas de los hidrocarburos mediante reacciones de O_{2}, O, OH y HO_{2}. Cuando los reactivos son productos intermedios y el catalizador es altamente selectivo para un agente reductor dado, la optimización del procedimiento se vuelve difícil, si no imposible. Esto es debido a que el que se completen las reacciones con plasma y, por tanto, la concentración de los productos intermedios, está controlado en gran medida por la potencia de entrada (julios por segundo) para un tiempo de permanencia dado en el reactor de plasma. Esto conduce a la idea de una unidad normalizada expresada en julios por litro, que determinará la concentración de los productos intermedios en el reactor de plasma. Por ejemplo, en el artículo "Plasma assisted catalytic reduction of NO_{x}" de BM Penetrante et al, SAE 982508, se muestra cómo cambia la composición de la fase gaseosa con la potencia de entrada expresada en julios por litro de volumen de gas para un flujo de escape en litros por unidad de tiempo. Este parámetro clave, julios/litro, está fijado en gran parte por las restricciones del vehículo, es decir el tamaño del reactor, y el nivel aceptable de potencia de entrada al reactor en tanto que todo el gas de escape pasa a través del reactor.

La presente invención se basa en una apreciación de las ventajas que se siguen si se cambia el tiempo de permanencia de especies seleccionadas en el reactor y, así rompe la relación, en este momento inevitable, entre la potencia de entrada en julios por litro y las especies reactivas. Esto conduciría a una simplificación en el diseño y una mejora de la eficacia energética de los reactores de plasma.

Se han facilitado ejemplos que muestran que, sin mejora catalítica, los reactores de plasma pueden producir cantidades de subproductos no deseados normalmente asociados con la oxidación parcial de los hidrocarburos (véase "Analysis of plasma-catalysis for diesel NO_{x} remediation" de J Hoard y M L Balmer, SAE 982429), por ejemplo nitrato de metilo, formaldehído. Se ofrece una solución si los hidrocarburos pueden retenerse durante periodos de tiempo relativamente largos para conseguir la conversión completa de CO en CO_{2}, mientras que los óxidos de nitrógeno pueden requerir un tiempo de permanencia corto para evitar la formación de ácidos.

Es un objeto de la presente invención prever un método que trate estos problemas.

La invención proporciona un método, según se define en la reivindicación 1 adjunta, de tratamiento de gases que contienen óxidos de nitrógeno, materiales particulados carbonosos, que incluyen hollín, hidrocarburos y otros constituyentes residuales, que incluyen oxígeno, método que comprende hacer pasar los gases a través de un reactor que comprende un lecho de material activo en un recinto que tiene conductos de flujo de gas para dirigir el flujo de gas a través o sobre el lecho de material activo, aplicar un potencial eléctrico para generar un plasma no térmico en el gas que penetra en el material activo, siendo al menos un componente del material activo tal como para adsorber o atrapar materiales particulados carbonosos, que incluyen hollín, caracterizado porque el potencial eléctrico se aplica para generar dicho plasma no térmico durante el paso a través del material activo de los gases que se someten al tratamiento y el componente del material activo es tal como para adsorber o atrapar selectivamente material carbonoso, que incluye hollín.

Preferiblemente, los gases se someten adicionalmente a la acción de un catalizador selectivo para NO, preferiblemente alúmina dopada con plata, que absorbe selectivamente tanto NO como hidrocarburos y/o hidrocarburos parcialmente oxigenados y promueve su reacción entre sí para reducir el NO directamente a N_{2}.

Preferiblemente, los gases sometidos a la acción de un catalizador selectivo para NO también se someten a una activación por plasma adicional que promueve la formación de hidrocarburos y/o hidrocarburos parcialmente oxigenados activados.

Preferiblemente, los gases se someten al flujo a través o sobre una pluralidad de lechos de material activo, cada uno de los cuales adsorbe o atrapa una especie química predeterminada diferente y tales especies químicas predeterminadas, además del material activo mencionado anteriormente para atrapar materiales particulados carbonosos que incluyen hollín y el catalizador selectivo para NO, pueden ser, pero sin limitarse a ello, una especie del grupo que comprende nitrógeno, oxígeno, óxidos de carbono tales como CO, CO_{2}, agua, hidrocarburos que incluyen hidrocarburos saturados, insaturados, cíclicos, ramificados y no ramificados, hidrocarburos oxigenados tales como aldehídos, cetonas, alcoholes, ácidos, éteres y ésteres, hidrocarburos aromáticos y derivados de los mismos que incluyen compuestos hidrocarbonados poliaromáticos, fracciones del petróleo, combustible y combustible parcialmente quemado, aire y mezclas de aire / combustible, compuestos de azufre que incluyen SO_{2} y sulfatos, especies de nitrógeno orgánico, gases ácidos, modificadores / potenciadores de la combustión, aditivos tales como urea, amoniaco, óxido de cerio (tal como Eolys, compuesto a base de cerina) y especies activadas por plasma tales como O, OH, O_{3}, hidrocarburos activados que incluyen moléculas orgánicas / hidrocarburos parcialmente oxigenados y especies en un estado excitado electrónica y vibracionalmente.

Con el fin de llevar a cabo el método definido en la reivindicación 1 adjunta, puede utilizarse un reactor de plasma no térmico, reactor que comprende un lecho de material activo en un recinto que tiene conductos de flujo de gas para dirigir el gas para que fluya a través o sobre el lecho de material activo, electrodos adaptados cuando se excitan eléctricamente para generar un plasma no térmico en el gas que penetra en el material activo, siendo al menos un componente del material activo tal como para adsorber o atrapar materiales particulados carbonosos, que incluyen hollín, caracterizado porque el componente del material activo es tal como para adsorber o atrapar selectivamente materiales particulados carbonosos, que incluyen hollín y se proporciona adicionalmente un catalizador selectivo para NO para adsorber selectivamente tanto NO como hidrocarburos y/o hidrocarburos parcialmente oxigenados y promover su reacción entre sí para reducir el NO directamente a N_{2}.

La función del material activo, o componente del mismo, que tiene la capacidad de adsorber o atrapar especies seleccionadas, puede considerarse como la de un filtro selectivo para esas especies.

Además de las ventajas, referidas anteriormente, que resultan del aumento eficaz del tiempo de permanencia de las especies seleccionadas, tal filtro selectivo puede funcionar para adsorber o atrapar los reactivos y mantenerlos durante un tiempo suficiente para que se activen mediante un plasma y/o un filtro seleccionado hasta un estado en el que pueden reaccionar, por ejemplo, con NO_{x} para dar los productos deseados. En este papel, el material de filtro o la especie atrapada en presencia de un plasma puede hacerse que parezca que actúa como una superficie catalítica pero, de manera importante, ni el plasma ni el filtro selectivo ni la especie atrapada solos necesitan tener propiedades catalíticas. Considerando que la especie atrapada comprende material particulado carbonoso procedente de un motor diesel, por ejemplo hollín que consiste principalmente en carbono elemental, en la región de plasma el hollín se ve expuesto a especies generadas por el plasma, por ejemplo, átomos de oxígeno. Los átomos de oxígeno u otras especies generadas por el plasma pueden difundirse en, adsorber y reaccionar con el hollín. Otras especies generadas por el plasma incluyen, pero sin limitarse a, OH, O_{3} y NO_{2}. Por ejemplo, se sabe que los átomos de oxígeno pueden difundir en el hollín y formar grupos de tipo aldehído sobre la superficie. El hollín oxigenado tiene diferentes propiedades catalíticas y de activación que el hollín no oxigenado. En este ejemplo, la superficie del material reactivo, por ejemplo carbono, se transforma en un catalizador.

Un filtro selectivo útil para llevar a cabo la presente invención proporciona, mediante la modificación selectiva de los tiempos de permanencia, un método para controlar y, así, optimizar la distribución de las especies producto procedentes de un reactor de plasma con un grado significativo de independencia de la velocidad de flujo, el tamaño del reactor o la densidad de energía. El método para controlar y, así, optimizar la distribución de las especies producto puede incluir un método para optimizar la desorción de las especies filtradas selectivamente o de los subproductos de estas especies tras la activación del material o plasma, por ejemplo, mediante la variación de la temperatura o el material de filtro.

Tras la filtración selectiva del material particulado carbonoso en la región de plasma, el funcionamiento del filtro selectivo según la presente invención también permite la desorción y/o descomposición mediante métodos reactivos o térmicos de las funcionalidades de carbono formadas sobre la superficie o en el volumen, tales como, por ejemplo, grupo de tipo aldehído formados sobre la superficie. Sin embargo, un aspecto importante de este funcionamiento del filtro selectivo es que asegura que el hollín carbonoso se oxide, a temperaturas bajas, a CO_{2} y CO. Habitualmente, el hollín carbonoso experimenta combustión a alta temperatura, superior a 500ºC, mientras que utilizando esta función del filtro selectivo, el hollín puede oxidarse de manera eficaz a temperaturas de tan sólo 100ºC. Esto es un avance importante sobre los catalizadores para la oxidación de hollín de la técnica anterior, en el que se disminuyen las temperaturas normalmente hasta 250 - 300ºC.

Se describirá ahora una realización específica de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran una forma adecuada para la estructura de un reactor y su lecho de material activo. En los dibujos:

la figura 1 es una sección longitudinal del reactor, y

la figura 2 es una vista esquemática que muestra la trayectoria de flujo de gas a través del reactor de la figura 1.

Haciendo referencia a la figura 1, un reactor para el tratamiento asistido por plasma de las emisiones de escape procedentes de motores de combustión interna, para eliminar componentes nocivos de las mismos, consiste en una cámara 300 de reactor que tiene adaptadores 301, 302 de entrada y salida, respectivamente, por medio de los cuales puede incorporarse al sistema de escape de un motor de combustión interna.

Dentro de la cámara 300 de reactor existe un electrodo 303 interno que está soportado dentro de un tubo 304 dieléctrico, por ejemplo compuesto por \gamma-alúmina, que tiene su extremo aguas arriba cerrado por una cúpula 305 esférica para facilitar el flujo de los gases de escape a través del reactor. El electrodo 303 interno está soportado en el tubo 304 dieléctrico por dos soportes 306, 307 araña. La superficie interna del tubo dieléctrico puede metalizarse con un recubrimiento metálico con el fin de aumentar el contacto físico entre el electrodo y el tubo dieléctrico. El soporte 307 está conectado a un terminal 308 de entrada de alta tensión a través de una alimentación 309 aislada de material cerámico de modo que puede aplicarse un potencial del orden de kilovoltios a decenas de kilovoltios y frecuencias de repetición en el intervalo de 50 a 5000 Hz al electrodo 303 interno. Concéntrico al electrodo 303 interno y al tubo 304 dieléctrico hay un electrodo 310 externo puesto a tierra, por ejemplo compuesto por acero inoxidable. El tubo 304 dieléctrico y el electrodo 310 externo están soportados dentro de la cámara 300 de reactor por discos 311, 312 compuestos por un material cerámico aislante, tal como alúmina. Un material 313 resistente al calor, deformable, se interpone entre el soporte 311 de electrodo y el tubo 304 dieléctrico.

El espacio entre el tubo 304 dieléctrico y el electrodo 310 externo se llena con un lecho de material 320 activo, mostrado en la figura 1, pero omitido de la figura 2 para claridad de representación de las trayectorias de flujo de gas.

Tal como se muestra en la figura 2, el electrodo 310 externo tiene una serie de deflectores 314 y ranuras 315, 315a. Los deflectores 314 se extienden desde el electrodo 310 externo hasta la superficie interna de la pared de la cámara 300 de reactor y actúan como conexiones a tierra así como hacen que los gases de escape sigan una trayectoria intrincada que tiene componentes tanto axial como circunferencial y que es al menos parcialmente helicoidal. Existe también una componente radial de flujo, inicialmente hacia dentro a medida que el gas se transfiere desde el exterior del electrodo 310 externo hasta el espacio entre los electrodos 310 y 303 y luego hacia fuera a medida que el gas vuelve para salir desde el exterior del electrodo 310 externo. Por tanto, también existe una componente espiral en el flujo.

El deflector 314 está dispuesto para dividir el espacio entre el electrodo 310 y la cámara 300 de reactor en seis segmentos. En el extremo de entrada de gas, tres de estos segmentos están cerrados en 314a, 314b y 314c al flujo axial de gas y los tres segmentos restantes están abiertos al flujo axial de gas en el espacio entre el electrodo 310 y la cámara 300 de reactor. Estos tres últimos segmentos están cerrados por el deflector 314 en el extremo de salida de gas del reactor. En consecuencia, el gas se fuerza a pasar radialmente a través de la ranura 315 al espacio entre los electrodos 303 y 310, pasando luego de una manera al menos parcialmente helicoidal, antes de pasar radialmente a través de la siguiente ranura 315a en el siguiente segmento del espacio entre el electrodo 310 y la cámara 300 de reactor. El deflector 314 deja abierto este segmento en el extremo de salida de gas, permitiendo el escape del gas tratado. Por tanto, se observará que los gases de escape tanto entran como salen de la parte principal del reactor 300 a lo largo de la superficie del electrodo 310 externo y los soportes 311, 312 de electrodo tienen relieves en sus circunferencias que están situados de modo que permitan que esto suceda. Por tanto, para una velocidad de gas dada, el tiempo de permanencia de los gases de escape en el campo eléctrico aumenta comparado con el flujo puramente axial o radial. Obsérvese que en la figura 2, parte del electrodo 310 se ha mostrado con un corte transversal que deja ver el interior en 316. Este corte transversal que deja ver el interior se muestra en la figura sólo para ilustrar el flujo de los gases de escape cuando pasan entre los electrodos 303 y 310 y no representan una característica estructural del reactor.

Para un reactor adecuado para la presente invención, puede adoptarse cualquier otra forma estructural tal como se describe en la memoria descriptiva de la patente WO99/12638, o en otras realizaciones descritas en la memoria descriptiva de la solicitud de patente PCT/GB 00/01881. El material 320 activo comprende un material polimérico, cerámico o metálico que puede estar en la forma de esferas, pastillas, mezclas extruidas, fibras, láminas, bobinas, gránulos, obleas, mallas, materiales sinterizados, espumas, membrana o monolito de tipo panal de abeja en la región de plasma del plasma no térmico. Pueden utilizarse combinaciones de uno o más de los anteriores para producir una estructura con un área superficial y una porosidad no uniformes, por ejemplo una porosidad gradual, cuando se presenta al gas. Las espumas y monolitos pueden ser cerámicos, metálicos o poliméricos y ejemplos de espumas y monolitos incluyen, pero no se limitan a, alúmina, zircona, titania, zeolita para las espumas y cordierita, carburo de silicio, alúmina, zeolita y Fecralloy (aleación ferrítica) para un reactor de monolito de tipo panal de abeja. El material activo también puede ser un catalizador para la combustión de carbón, por ejemplo óxido de cerio, óxido de metal alcalino u óxido de lantano / óxido de metal alcalino / pentóxido de vanadio, vanadatos tales como los metavanadatos y pirovanadatos. Al menos un componente del material 320 activo se selecciona o modifica con el fin de adsorber o atrapar una especie química predeterminada en el flujo de gas, para aumentar así el tiempo de permanencia eficaz en el reactor de dicha especie con respecto al tiempo de permanencia de las especies no adsorbidas ni atrapadas en el flujo de gas. El material 320 activo puede comprender una pluralidad de componentes, cada uno de los cuales adsorbe o atrapa una especie química distinta, para aumentar así el tiempo de permanencia eficaz en el reactor de cada una de dichas especies químicas diferentes adsorbidas o atrapadas. Se apreciará que un componente seleccionado o modificado del material activo puede adsorber o atrapar más de una especie química seleccionada. Además, cuando se proporciona una pluralidad de componentes, cada uno de los cuales adsorbe o atrapa una especie química diferente, las adsorciones respectivas pueden ser distintas para cada especie adsorbida o atrapada diferente, proporcionando así un aumento diferente, de manera correspondiente, del tiempo de permanencia eficaz de cada una de las diferentes especies adsorbidas o atrapadas.

Reactores de plasma no térmico adecuados son los del tipo de lecho ferroeléctrico que comprenden un lecho de material contenido entre dos electrodos, del tipo de descarga de barrera dieléctrica o silenciosa, un reactor de descarga corona pulsada o un reactor de descarga superficial o una combinación de reactores.

Cuando una molécula de gas, por ejemplo de hidrocarburo, entra en un plasma no térmico permanece en la zona de plasma durante un periodo de tiempo dado, conocido como el tiempo de permanencia, con lo cual pueden producirse reacciones químicas. Cuando está presente un filtro selectivo según la presente invención en la región de plasma, aumenta el tiempo de permanencia de las moléculas de gas seleccionadas en la región de plasma. Esto es debido a que una molécula de gas seleccionadas al entrar en la zona de plasma queda adsorbida o atrapada sobre la superficie del material del lecho y, puede entonces activarse, reaccionar y desorberse de la superficie, en un momento posterior. La molécula ahora en la fase gaseosa puede volver a adsorberse sobre diferentes regiones del lecho. Este procedimiento de adsorción o atrapamiento, activación o reacción, desorción y readsorción puede producirse en toda la región de plasma, aumentando así los tiempos de permanencia de las moléculas seleccionadas que entran a la región de plasma, permitiendo que se produzcan las reacciones químicas de manera más extensa. La adsorción y desorción controladas pueden utilizarse como una estrategia global para controlar la mezcla gaseosa que sale del reactor. En otro ejemplo, el filtro selectivo puede adsorber o atrapar especies antes de la activación por plasma y/o descomposición superficial y posterior desorción. La composición del material, por ejemplo la acidez (sitios ácidos de Bronsted y Lewis), el tamaño de poro, la forma del poro, la distribución del tamaño de poro, el área superficial son características que pueden modificarse para lograr diferentes tiempos de permanencia y selectividad.

El método de la invención se ilustra adicionalmente considerando el ejemplo específico de eliminar el material particulado carbonoso en forma de hollín.

Se ha centrado la atención en la mayoría de las disposiciones de la técnica anterior en la eliminación de los óxidos de nitrógeno, sin considerar la eliminación del hollín, normalmente haciendo pasar los gases que contienen los óxidos de nitrógeno y el hollín para su tratamiento a través de un reactor de plasma no térmico, que no contiene material de relleno (reactor sin relleno), seguido por un catalizador adecuado para la reducción selectiva. El papel del plasma es convertir el NO en NO_{2} por medio de un mecanismo en cadena de peroxidación. Se cree que las etapas iniciales de este mecanismo dependen de la reacción de los átomos de O, formados por el plasma, con hidrocarburos que, a través de un mecanismo en cadena (que implica reacciones de O_{2} y OH con los hidrocarburos y productos de las reacciones de O e hidrocarburos) forman especies de peróxido que están implicadas en la reacción de oxidación de NO a NO_{2}. El NO_{2}, en presencia de hidrocarburos en el gas de escape, se reduce a nitrógeno por el catalizador, mediante un mecanismo de reducción catalítica selectiva para hidrocarburos.

La eliminación del hollín mediante oxidación con plasma no térmico según fluye a través de un reactor sin relleno requeriría una entrada de energía relativamente alta (julios por litro) conseguida, o bien aplicando un aumento considerable de la energía aplicada, o bien una disminución considerable del flujo de gas de escape hasta un nivel poco práctico. El atrapamiento del hollín de modo que aumente su tiempo de permanencia en el plasma reduce este requerimiento de energía. En la región de plasma, el hollín se ve expuesto a radicales oxidantes tales como O, OH, O_{3}, que entonces oxigenan el hollín. El hollín oxigenado tiene diferentes propiedades catalíticas y de activación que el hollín no oxigenado, lo que da como resultado, por ejemplo, su oxidación a temperaturas inferiores que las que se observarían utilizando una técnica puramente térmica. El material para el filtro selectivo para este fin se elige principalmente por su capacidad para atrapar hollín. Las perlas de alúmina (CT530) proporcionan un material adecuado para este fin, pero pueden combinarse de manera deseable con un material de catalizador para combustión o un compuesto que atrae más el hollín. Puede proporcionarse alguna mejora en la eficacia de atrapamiento del material mediante la elección apropiada de la forma en la que el material se incorpora a un reactor, esto es específicamente si se incorpora en la forma de láminas, obleas, mallas, materiales sinterizados, bobinas, esferas, pastillas, mezcla extruida, gránulos, fibras, espumas o monolito de tipo panal de abeja o como un recubrimiento sobre las láminas, obleas, mallas, materiales sinterizados, bobinas, esferas, pastillas, mezclas extruidas, gránulos, fibras o espuma, membrana o monolito de tipo panal de abeja.

Sin embargo, se debe apreciar que utilizar un material de relleno para atrapar hollín, de esta manera, da como resultado una competencia entre los átomos de O y otras especies oxidantes que podrían estar implicadas de otra manera en el mecanismo en cadena de peroxidación de NO a NO_{2}. Las velocidades de reacción de O y otras especies oxidantes con el hollín son más rápidas que la reacción de oxidación de hidrocarburos, de modo que es mucho menos probable que se produzca la conversión de NO en NO_{2}.

Este es entonces un ejemplo de cómo puede cambiar significativamente la química de un sistema utilizando un enfoque de filtro selectivo. En este ejemplo, se cambia un mecanismo dominante de reacción en fase gaseosa homogénea, una conversión de NO en NO_{2} potenciada por plasma, mediante la elección de un filtro de hollín selectivo para promover un mecanismo alternativo de oxidación heterogénea de hollín utilizando las mismas especies básicas halladas en la corriente de escape.

Esto tiene importantes implicaciones para la eliminación combinada de hollín y NO_{x} ya que esto sugiere que mediante la eliminación del hollín en un reactor con relleno, se reduce la posibilidad de reducción de NO_{x} a nitrógeno mediante una reducción catalítica selectiva para hidrocarburos de NO_{2}.

Según la presente invención, para conseguir una eliminación combinada de hollín y NO_{x}, debe tenerse en cuenta esta alteración de la química que tiene lugar dentro del reactor como consecuencia del atrapamiento de hollín. Un enfoque consiste en utilizar un catalizador selectivo para NO tal como un catalizador de alúmina dopada con plata, que funciona adsorbiendo selectivamente tanto el NO como también los hidrocarburos y/o hidrocarburos parcialmente oxigenados del gas de escape y promoviendo su reacción entre sí para reducir el NO directamente a N_{2}. La función de este catalizador de alúmina dopada con plata, de esta manera, depende del tipo de hidrocarburos y su rendimiento puede mejorarse mediante la activación de los hidrocarburos de la corriente de gas de escape, por ejemplo mediante activación por plasma, para formar especies tales como hidrocarburos parcialmente oxigenados, por ejemplo formaldehído (CH_{2}O). La presencia del plasma no térmico es importante para esto porque es eficaz para la activación requerida de los hidrocarburos a temperaturas significativamente inferiores que las requeridas para la producción térmica de los hidrocarburos oxigenados.

Será evidente para los expertos en la técnica que este enfoque de filtro selectivo puede aplicarse a otros procesos químicos, gases y corrientes de escape, aunque éstos no son el objeto de la presente invención reivindicada, excepto en la medida en que pueden aplicarse en combinación con el mismo.

El material de filtro puede seleccionarse por su capacidad para atrapar o adsorber una especie predeterminada en la destrucción de compuestos residuales tóxicos, por ejemplo, aquellos utilizados en aplicaciones tales como las industrias de la microelectrónica y los semiconductores. Ejemplos de éstos incluyen especies tales como compuestos orgánicos volátiles, compuestos que contienen halógenos que incluyen los perfluorocarbonos, hidrofluorocarbonos y freones. Aumentar el tiempo de permanencia de estas especies en el plasma utilizando un filtro selectivo puede dar como resultado un aumento de la eficacia de su destrucción.

En otro ejemplo, el material de filtro selectivo puede elegirse por su capacidad para atrapar o adsorber una especie predeterminada producida en el plasma para recubrir o modificar el material de filtro de alguna manera.

El material de filtro puede seleccionarse por su capacidad para atrapar o adsorber una especie predeterminada producida en el plasma para evitar que se produzca cierta reacción química en fase gaseosa. Esto podría ser evitar que se forme un contaminante o toxina o actuar como un inhibidor para cierto isómero o molécula en un proceso químico. Como ejemplo, el material de filtro puede seleccionarse por su capacidad para atrapar o adsorber un tipo o longitud de cadena polimérica predeterminado de la fase gaseosa en un proceso de polimerización por plasma. El material podría seleccionarse para atrapar los productos poliméricos requeridos o para eliminar subproductos no deseados, para permitir que se recoja el producto deseado aguas abajo.

Claims (15)

1. Método de tratamiento de gases que contienen óxidos de nitrógeno, materiales particulados carbonosos, que incluyen hollín, hidrocarburos y otros constituyentes residuales, que incluyen oxígeno, método que comprende hacer pasar los gases a través de un reactor que comprende un lecho de material (320) activo en un recinto que tiene conductos (301, 302) de flujo de gas para dirigir el flujo de gas a través o sobre el lecho de material (320) activo, aplicar un potencial eléctrico para generar un plasma no térmico en el gas que penetra en el material activo, caracterizado porque el potencial eléctrico se aplica para generar dicho plasma no térmico durante el paso a través del material activo de los gases que se someten al tratamiento y dicho material (320) activo comprende al menos un componente que es tal como para adsorber o atrapar selectivamente materiales particulados carbonosos que incluyen hollín.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado además porque los gases se someten adicionalmente a la acción de un catalizador selectivo para NO que absorbe selectivamente tanto NO como hidrocarburos y/o hidrocarburos parcialmente oxigenados y promueve su reacción entre sí para reducir el NO directamente a N_{2}.

3. Método según la reivindicación 2, caracterizado además porque los gases sometidos a la acción de un catalizador selectivo para NO también se someten a activación por plasma adicional que promueve la formación de hidrocarburos y/o hidrocarburos parcialmente oxigenados activados.

4. Método según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado además porque el catalizador selectivo para NO comprende alúmina dopada con plata.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el lecho de material (320) activo comprende perlas de alúmina.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el lecho de material activo incluye un catalizador de combustión.

7. Método según la reivindicación 6, caracterizado además porque el catalizador de combustión comprende uno o más materiales del grupo que comprende óxido de metal alcalino u óxido de lantano / óxido de metal alcalino / pentóxido de vanadio, vanadatos tales como metavanadatos y pirovanadatos.

8. Método según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, caracterizado además porque la oxidación a dióxido de carbono y monóxido de carbono de dichos materiales particulados carbonosos que incluyen hollín se produce a temperaturas inferiores a la temperatura de oxidación térmica respectiva de los mismos.

9. Método según la reivindicación 8, caracterizado además porque dicha oxidación a dióxido de carbono y monóxido de carbono se produce a temperaturas inferiores a 250ºC.

10. Método según la reivindicación 8, caracterizado además porque dicha oxidación a dióxido de carbono y monóxido de carbono se produce a temperaturas de tan sólo 100ºC.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque los gases se someten al flujo a través o sobre una pluralidad de lechos de material activo, cada uno de los cuales adsorbe o atrapa una especie química predeterminada diferente.

12. Método según la reivindicación 11, caracterizado además porque en la pluralidad de lechos de material activo se incluye, además del material activo para atrapar los materiales particulados carbonosos que incluyen hollín, material activo que adsorbe o atrapa una o más especies químicas predeterminadas del grupo que comprende nitrógeno, oxígeno, óxidos de carbono tales como CO, CO_{2}, agua, hidrocarburos que incluyen hidrocarburos saturados, insaturados, cíclicos, ramificados y no ramificados, hidrocarburos oxigenados tales como aldehídos, cetonas, alcoholes, ácidos, éteres y ésteres, hidrocarburos aromáticos y derivados de los mismos, que incluyen compuestos hidrocarbonados poliaromáticos, fracciones del petróleo, combustible y combustible parcialmente quemado, aire y mezclas de aire / combustible, compuestos de azufre que incluyen SO_{2} y sulfatos, especies de nitrógeno orgánico, gases ácidos, modificadores / potenciadores de la combustión, aditivos tales como urea, amoniaco, óxido de cerio (tal como Eolys) y especies activadas por plasma tales como O, OH, O_{3}, hidrocarburos activados que incluyen hidrocarburos parcialmente oxigenados / moléculas orgánicas y especies en un estado excitado electrónica y vibracionalmente.

13. Método según la reivindicación 12, caracterizado además porque dicho material activo adicional se selecciona apropiadamente del grupo que comprende material ferroeléctrico o dieléctrico, material polimérico y material cerámico.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el lecho o lechos de material (320) activo se prevé en la forma de láminas, obleas, mallas, materiales sinterizados, bobinas, esferas, pastillas, mezcla extruida, gránulos, fibras, espumas o monolito de tipo panal de abeja o como un recubrimiento de láminas, obleas, mallas, materiales sinterizados, bobinas, esferas, pastillas, mezclas extruidas, gránulos, fibras o espuma, membrana o monolito de tipo panal de abeja.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el material (304) barrera dieléctrico entre los electrodos (303, 310) establece un tipo de reactor de descarga de barrera dieléctrica.