Investigation of a novel experimental protocol for the evaluation of the external mass transfer of 3D printed catalyst substrates

Without questioning, one of the main challenges in the after-treatment systems has always been the assessment of an optimal tradeoff between the mass transfer and pressure drops. Therefore, in the present thesis, a procedure has been proposed and implemented aiming at the investigation of a novel experimental protocol for the evaluation of the external mass transfer of 3d printed catalyst supports. In this research, a new methodology using (H_{2 }oxidation) was developed and compared with the classical methodologies (CO oxidation) already established in previous literatures. Thanks to SLA (stereolithography) 3D printing machine extreme designs such as the TKKD cells with 0.9 sample porosity were achievable for the printing of POCS and foams requisite for this research. Resins such as the high HDT (heat deformation temperature) resin of Formlabs FLHTAM01 High Temp V1 was incorporated. Pd supported on CeO2 was chosen as active phase with spin coating as the best approach in ensuring a homogenous deposition before flash drying. With regards to the maximum operating temperature of the material at 290°C, a very sensitive and yet accurate at low temperature was enhanced in order to reach external mass transfer regime. The assessment were carried out in a H_{2 }rich mixture (1% O2, 4% H2, N2 as complement) to avoid the use of H_{2 }as limiting reactant since it could lead to too high conversions. Then, the gas mixture was fed to the reactor at flowrates from 3 to 9 Nl/min in increments of 1Nl/min. Thanks to H_{2 }oxidation, a high reaction activity was observed on the onset of the external mass transfer regime at significantly lower temperatures. Comparison between the two methodologies were closely compared together. The result was very promising in that, the conversion in mass transfer limited regime were quite similar, which was due to the fact that the conversion in external mass transfer depends mainly on the Reynolds number of the system and the diffusivity of the limiting reagent (O2 for the hydrogen oxidation and CO for CO oxidation) conversion in external mass transfer was similar in both runs.

Senza dubbio, una delle sfide principali nei sistemi di post-trattamento è sempre stata la valutazione di un compromesso ottimale tra il trasferimento di massa e le perdite di pressione. Per questo motivo, nella presente tesi, è stata proposta e implementata una procedura che mira a studiare un nuovo protocollo sperimentale per la valutazione del trasferimento di massa esterno dei supporti di catalizzatori stampati 3d. In questa ricerca è stata sviluppata una nuova metodologia che utilizza (H_{2 }ossdazione) e che è stata confrontata con le metodologie classiche (ossidazione della CO) già stabilite nelle precedenti letterature. Grazie alla stereolitografia SLA (stereolitografia) sono stati raggiunti progetti estremi di macchine da stampa 3D, come le celle TKKD con porosità di 0,9 campioni, per la stampa di POCS e schiume necessarie per questa ricerca. Sono state incorporate resine come la resina ad alta HDT (temperatura di deformazione termica) di Formlabs FLHTAM01 High Temp V1. Il Pd supportato su CeO2 è stato scelto come fase attiva con rivestimento in spin coating come il miglior approccio per garantire una deposizione omogenea prima dell'essiccazione flash. Per quanto riguarda la temperatura massima di esercizio del materiale a 290°C, è stata migliorata la sensibilità e la precisione a bassa temperatura per raggiungere il regime di trasferimento della massa esterna. La valutazione è stata effettuata in una miscela ricca di H_{2 }(1% O2, 4% H2, N2 come complemento) per evitare l'uso di H_{2 }come reagente limitante in quanto potrebbe portare a conversioni troppo elevate. Quindi, la miscela di gas è stata alimentata al reattore a portate da 3 a 9 Nl/min in incrementi di 1Nl/min. Grazie all'ossidazione H_{2 }, si è osservata un'elevata attività di reazione all'inizio del regime di trasferimento della massa esterna a temperature significativamente più basse. Il confronto tra le due metodologie è stato strettamente comparato tra loro. E il risultato è stato molto promettente, in quanto la conversione in regime di trasferimento di massa limitata era abbastanza simile, il che era dovuto al fatto che la conversione in trasferimento di massa esterna dipende principalmente dal numero di Reynolds del sistema e la diffusività del reagente limitante (O2 per l'ossidazione dell'idrogeno e CO per l'ossidazione della CO) la conversione in trasferimento di massa esterna era simile in entrambe le serie