Abstract The harmful emissions of chlorinated volatile organic compounds (CVOCs) originate only from man-made sources. CVOCs are used in a variety of applications from pharmaceuticals production to decaffeination of coffee. Currently, CVOC emissions are limited by strict legislation. For these reasons, efficient CVOC abatement technologies are required. Catalytic oxidation is very promising option for this purpose, since catalysts can be tailored to each case to maximize the efficiency and minimize the formation of unwanted products, such as dioxins or Cl2. The goal of this thesis was to study the role of the physico-chemical properties of catalysts in dichloromethane (DCM) oxidation. To reach the aim, several catalytic materials were prepared and characterized, and their performance was tested in total oxidation of DCM. The catalytic materials used were powders of four single metal oxides (γ-Al2O3, TiO2, CeO2, MgO), three mixed oxides (Al2O3-xSiO2) washcoated on a cordierite monolith and four active phases (Pt, Cu, V, Mn). At first, support properties were studied. It was found that the DCM conversion and HCl production are dependent on support acidity when the studied single oxides are considered. The best DCM conversions and HCl yields were observed with the support having the highest total acidity (γ-Al2O3). Further, the quality of the by-products formed was dependent on the type of the acid sites present on the support surface. Secondly, the impregnation of the active compound was observed to improve the selectivity of the material. From the tested active phases, Pt presented the best performance, but also V2O5 and CuO showed almost equal performances. Especially CuO supported on γ-Al2O3, that had less formation of by-products and is less toxic than V-containing oxides, seems to be a promising alternative to Pt. Concerning stability, no deactivation was observed after 55h of testing of Pt/Al2O3. Furthermore, in the used reaction conditions, the formation of CuCl2 is not thermodynamically favoured. Finally, the good characteristics of the powder form catalysts were successfully transferred to the monolith. The performance of the Pt/90Al2O3-10SiO2 catalyst in DCM oxidation was improved when the channel density was increased due to an increase in geometric surface area and mechanical integrity factor, and a decrease in open fraction area and thermal integrity factor. / Tiivistelmä Haitallisten kloorattujen orgaanisten yhdisteiden (CVOC) päästöt ovat ihmisten aiheuttamia. CVOC-yhdisteitä käytetään mm. liuottimina lääkeaineiden valmistuksessa ja kofeiinin poistossa. Nykyisin CVOC-päästöjä rajoitetaan tiukalla lainsäädännöllä. Näistä syistä tehokas CVOC-yhdisteiden käsittelymenetelmä on tarpeen. Katalyyttinen hapetus on hyvä vaihtoehto tähän tarkoitukseen, koska katalyytit voidaan räätälöidä niin, että puhdistuksen tehokkuus saadaan maksimoitua samalla kun ei-haluttujen tuotteiden, kuten dioksiinit ja kloorikaasu, muodostuminen voidaan minimoida. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää katalyyttien fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien yhteyksiä dikloorimetaanin (DCM) hapetukseen. Tavoitteen saavuttamiseksi valmistettiin useita katalyyttejä, jotka karakterisoitiin ja testattiin DCM:n kokonaishapetuksessa. Työssä tutkittiin neljää jauhemaista metallioksidia (γ-Al2O3, TiO2, CeO2 ja MgO), kolmea metallioksidiseosta (Al2O3-xSiO2), jotka pinnoitettiin kordieriittimonoliitille, sekä neljää aktiivista ainetta: Pt, Cu, V and Mn. Aluksi työssä keskityttiin tukiaineiden ominaisuuksiin. Työn tulokset osoittivat, että DCM:n konversio ja HCl:n tuotanto ovat riippuvaisia tukiaineen happamuudesta. Paras tulos saavutettiin alumiinioksidilla, jolla oli korkein kokonaishappamuus. Lisäksi havaittiin, että sivutuotteiden laatu riippuu tukiaineen pinnalla olevien happopaikkojen tyypistä. Aktiivisen aineen impregnointi tukiaineeseen paransi materiaalin selektiivisyyttä. Tutkituista aineista Pt osoittautui parhaimmaksi, mutta myös V2O5 ja CuO olivat lähes yhtä hyviä. Erityisesti CuO-katalyytti, joka tuotti vähemmän sivutuotteita ja joka on materiaalina vähemmän haitallinen kuin V2O5, osoittautui lupaavaksi jalometallikatalyyttien korvaajaksi. Materiaalien stabiilisuuteen liittyen Pt/Al2O3-katalyytin toiminnassa ei havaittu muutoksia 55 tunnin testauksen jälkeen. Lisäksi CuCl2:n muodostuminen ei mallinnuksen mukaan ole termodynaamisesti todennäköistä tutkituissa reaktio-olosuhteissa. Jauhemaisen katalyytin hyvät ominaisuudet pystyttiin pinnoituksessa siirtämään monoliittirakenteiseen katalyyttiin. Pt/90Al2O3-10SiO2 -katalyytin aktiivisuus DCM:n hapetuksessa tehostui, kun monoliitin aukkoluku kasvoi aiheutuen suuremmasta geometrisestä pinta-alasta ja mekaanisesta eheystekijästä sekä pienemmästä avoimen pinnan osuudesta ja termisestä eheystekijästä.

Abstract The releases of chlorinated volatile organic compounds (CVOCs) are controlled by strict regulations setting high demands for the abatement systems. Low temperature catalytic oxidation is a viable technology to economically destroy these often refractory emissions. Catalysts applied in the oxidation of CVOCs should be highly active and selective but also maintain a high resistance towards deactivation. In this study, a total of 33 different γ-Al2O3 containing metallic monoliths were studied in dichloromethane (DCM) and 25 of them in perchloroethylene (PCE) oxidation. The active compounds used were Pt, Pd, Rh or V2O5 alone or as mixtures. The catalysts were divided into three different testing sets: industrial, CVOC and research catalysts. ICP-OES, physisorption, chemisorption, XRD, UV-vis DRS, isotopic oxygen exchange, IC, NH3-TPD, H2-TPR and FESEM-EDS were used to characterise the catalysts. Screening of the industrial catalysts revealed that the addition of V2O5 improved the performance of the catalyst. DCM abatement was easily affected by the addition of VOC or water, but the effect on the PCE oxidation was only minor. Based on these screening tests, a set of CVOC catalysts were developed and installed into an industrial incinerator. The comparison between the laboratory and industrial scale studies showed that DCM oxidation in an industrial incinerator could be predicted relatively well. Instead, PCE was always seen to be oxidised far better in an industrial unit indicating that the transient oxidation conditions are beneficial for the PCE oxidation. Before starting the experiments with research catalysts, the water feed was optimised to 1.5 wt.%. Besides enhancing the HCl yields, water improved the DCM and PCE conversions. In the absence of oxygen, i.e. during destructive adsorption, the presence of water was seen to have an even more pronounced effect on the HCl formation and on the catalysts’ stability. In the DCM oxidation, the addition of the active compound on the catalyst support improved the selectivity, while the enhancing effect on the DCM conversion was only small. The high acidity together with the increased reducibility was seen to lead to an active catalyst. Among the research catalysts Pt/Al2O3 was the most active in the DCM oxidation. With PCE the addition of the active compound proved to be very beneficial also for the PCE conversion. Now Pt and Pd supported on Al2O3-CeO2 were the most active. The enhanced reducibility was seen to be the key feature of the catalyst in PCE oxidation. / Tiivistelmä Klooratuille orgaanisille hiilivedyille (CVOC) on asetettu tiukat päästörajoitukset niiden haitallisten vaikutusten takia. Tästä johtuen myös puhdistusmenetelmien tulee olla tehokkaita. Katalyyttinen puhdistus on teknologia, jolla nämä usein vaikeasti käsiteltävät yhdisteet voidaan taloudellisesti tuhota. Käytettävien katalyyttien tulee olla aktiivisia ja selektiivisiä sekä hyvin kestäviä. Tässä työssä tutkittiin yhteensä 33 erilaista γ-Al2O3-pohjaista hapetuskatalyyttiä metyleenikloridin (DCM) käsittelyssä, niistä 25 testattiin myös perkloorietyleenin (PCE) hapetuksessa. Aktiivisina metalleina katalyyteissä käytettiin platinaa, palladiumia, rhodiumia ja vanadiinia yksin tai seoksina. Katalyytit jaettiin kolmeen ryhmään: teolliset-, CVOC- ja tutkimuskatalyytit. Aktiivisuuskokeiden lisäksi katalyyttejä karakterisoitiin ICP-OES-, fysiorptio-, kemisorptio-, XRD-, UV-vis DRS-, isotooppivaihto-, IC-, NH3-TPD-, H2-TPR- ja FESEM-EDS-pintatutkimusmenetelmillä. Koetulokset osoittivat, että vanadiini paransi teollisuuskatalyyttien aktiivisuutta ja selektiivisyyttä. VOC-yhdisteen tai veden lisäys paransi DCM:n hapettumista, mutta PCE:n hapettumiseen niillä ei ollut vaikutusta. Testien perusteella kehitettiin CVOC-katalyytit, jotka asennettiin teolliseen polttolaitokseen. Laboratoriossa ja teollisuudessa tehdyissä testeissä havaittiin, että DCM:n hapettuminen oli laboratoriokokeiden perusteella ennustettavissa. Sen sijaan PCE hapettui teollisuudessa aina paljon paremmin kuin laboratorio-olosuhteissa. Tämä osoittaa, että muuttuvat hapettumisolosuhteet vaikuttivat positiivisesti PCE:n hapettumiseen. Veden määrä syöttövirrassa optimoitiin 1,5 %:iin ennen tutkimuskatalyyttien testausta. Selektiivisyyden lisäksi vesi paransi DCM:n ja PCE:n konversiota. Hapettomissa olosuhteissa, ts. tuhoavien adsorptiokokeiden aikana, vesi paransi reaktion selektiivisyyttä HCl:ksi ja CO2:ksi vielä entisestään. Tämän lisäksi vesi lisäsi katalyytin stabiilisuutta. DCM:n hapetuksessa aktiivisen metallin lisäys paransi selektiivisyyttä, mutta sen sijaan vaikutus DCM:n konversioon oli hyvin pieni. Tulokset osoittivat, että aktiivisella DCM:n hapetuskatalyytillä tulee olla korkea happamuus ja hyvä pelkistyvyys. Pt/Al2O3 oli testatuista tutkimuskatalyyteistä aktiivisin. PCE:n hapetuksessa aktiivisen metallin lisäys paransi selektiivisyyden lisäksi huomattavasti myös konversiota. Katalyytin lisääntyneen pelkistymiskyvyn todettiin olevan keskeisin ominaisuus PCE:n hapettumisessa. Pt/Al2O3-CeO2 ja Pd/Al2O3-CeO2 olivat tutkimuskatalyyteistä aktiivisimpia.