Riduzione selettiva catalitica: reazioni, catalizzatori

La riduzione selettiva catalitica indicata con l’acronimo SCR è un processo mirante ad abbattere gli ossidi di azoto dai gas di scarico emessi da industrie e autoveicoli.

La tecnologia che utilizza la riduzione selettiva catalitica trovò applicazione per la prima volta nelle centrali termiche in Giappone alla fine degli anni ’70, e si diffuse in Europa dalla metà degli anni ’80. Negli USA, negli anni ’90 si introdussero sistemi SCR per le turbine a gas, con un numero crescente di installazioni per il controllo degli ossidi dell’azoto NO_x da centrali a carbone.

Nel processo di riduzione selettiva ai gas di scarico è aggiunto un riducente quale ammoniaca o urea in presenza di catalizzatore

Il sistema è fondamentalmente costituito da un:

• reattore con catalizzatore
• serbatoio riducente per lo stoccaggio di NH₃
• sistema di iniezione.

Prima di entrare nel reattore, il riducente è miscelato con i fumi.

Nel reattore catalitico, si verifica una reazione selettiva tra ammoniaca e gli ossidi di azoto quando passano attraverso il catalizzatore. I prodotti della reazione sono azoto gassoso e vapore acqueo. La temperatura ottimale per questa reazione redox varia da 290°C a 400°C.

Nel caso sia utilizzata l’urea, si ottengono, dalla sua decomposizione termica, dapprima ammoniaca e acido isocianico secondo la reazione:
NH₂CONH₂ → NH₃ + HCNO

E successivamente, dall’idrolisi dell’acido isocianico, si formano ammoniaca e biossido di carbonio:
HCNO + H₂O → NH₃ + CO₂

Reazioni

Nel corso della riduzione selettiva catalitica si verificano reazioni che riducono gli NO_x ad azoto molecolare secondo una reazione di comproporzione come, ad esempio:
6 NO + 4 NH₃ → 5 N₂ + 6 H₂O

Tuttavia la reazione dominante è:
4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O

Le reazioni che coinvolgono il biossido di azoto sono le seguenti:
6 NO₂ + 8 NH₃ → 7 N₂ + 12 H₂O
2 NO₂ + 4 NH₃ + O₂ → 3 N₂ + 6 H₂O

Può inoltre avvenire la reazione cineticamente favorita tra monossido di azoto, biossido di azoto e ammoniaca:
NO + NO₂ +  2 NH₃ → 2 N₂ + 3 H₂O

Reazioni indesiderate

Durante la riduzione catalitica si verificano reazioni competitive e non selettive nei confronti dell’ossigeno. Da esse derivano sottoprodotti ed inoltre si verifica il consumo dell’ammoniaca.

Esempi di queste reazioni sono l’ossidazione parziale dell’ammoniaca da cui si ottengono, rispettivamente, ossido nitroso o azoto elementare.
2 NH₃ + 2 O₂ → N₂O + 3 H₂O
4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O

L’ossidazione completa dell’ammoniaca, invece, porta alla formazione di monossido di azoto:
4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O

A temperature inferiori ovvero a 100-200 °C si può verificare la reazione tra ammoniaca e biossido di azoto con formazione del nitrato di ammonio che è esplosivo e nitrito di ammonio:
2 NH₃ + 2 NO₂ + H₂O → NH₄NO₃ + NH₄NO₂

Il nitrato di ammonio può depositarsi in forma solida o liquida nei pori del catalizzatore, portando alla sua disattivazione temporanea.

Se il gas di scarico contiene zolfo come per i motori diesel l’anidride solforosa può ossidarsi a solforica con successiva formazione, per reazione con acqua, di acido solforico

Inoltre l’ammoniaca può reagire con l’anidride solforosa per dare in due diverse reazioni solfato di ammonio e solfato acido di ammonio che possono avvelenare il catalizzatore:
2 NH₃ + SO₃ + H₂O → (NH₄)₂ SO₄
NH₃ + SO₃ + H₂O → NH₄H SO₄

Catalizzatore nella riduzione selettiva catalitica 

Il catalizzatore è l’elemento chiave delle riduzione selettiva catalitica, poiché facilita la reazione di riduzione abbassandone l’energia di attivazione, aumentando l’efficienza e la selettività verso la formazione di N₂ anziché di altri composti indesiderati. I catalizzatori utilizzati nel corso della riduzione catalitica selettiva sono:

-ossidi metallici come quello di vanadio, molibdeno e tungsteno

–zeoliti

-metalli preziosi

Questi catalizzatori sono supportati da vari materiali ceramici porosi. I catalizzatori utilizzati nella riduzione selettiva sono fondamentali nei veicoli diesel moderni, negli impianti di produzione di energia e nelle industrie chimiche e metallurgiche per ridurre le emissioni di NOₓ, contribuendo al rispetto delle normative ambientali sempre più stringenti, come le direttive Euro 6 per i veicoli o le normative industriali locali e internazionali.