Mejora de los catalizadores Fischer-Tropsch mediante sonicación
Mejora de la síntesis de catalizadores Fischer-Tropsch con ultrasonidos: El tratamiento ultrasónico de las partículas catalizadoras se utiliza con varios fines. La síntesis ultrasónica ayuda a crear nanopartículas modificadas o funcionalizadas, que tienen una elevada actividad catalítica. Los catalizadores gastados y envenenados pueden recuperarse fácil y rápidamente mediante un tratamiento ultrasónico de la superficie, que elimina las incrustaciones inactivadoras del catalizador. Por último, la desaglomeración y dispersión por ultrasonidos da lugar a una distribución uniforme y monodispersa de las partículas de catalizador para garantizar una elevada superficie activa de las partículas y la transferencia de masa para una conversión catalítica óptima.
Ventajas de la preparación ultrasónica de catalizadores para procesos Fischer-Tropsch
La sonicación ofrece ventajas significativas en la síntesis de catalizadores Fischer-Tropsch, principalmente debido a su capacidad para inducir un control fino sobre la morfología del catalizador y la distribución del sitio activo. La cavitación de alta energía generada por las ondas ultrasónicas garantiza una mezcla rápida y una desaglomeración eficaz de los materiales precursores, lo que da lugar a una distribución del tamaño de las partículas muy uniforme y a un aumento de la superficie. Esta mayor homogeneidad se traduce en una mayor dispersión de los componentes activos, lo que es crucial para maximizar el número de sitios de reacción accesibles. Además, la cinética de mezcla controlada a menudo conduce a la formación de estructuras porosas y altamente estables, mejorando así el rendimiento catalítico, la selectividad y la estabilidad a largo plazo del catalizador en condiciones de reacción duras.
Sonicator UIP1500hdT con celda de flujo para la síntesis sonoquímica de catalizadores Fischer-Tropsch
Efectos de los ultrasonidos en los catalizadores
Los ultrasonidos de alta potencia son bien conocidos por su influencia positiva en las reacciones químicas. Cuando se introducen ondas ultrasónicas intensas en un medio líquido se genera cavitación acústica. La cavitación ultrasónica produce localmente condiciones extremas con temperaturas muy elevadas de hasta 5.000K, presiones de aproximadamente 2.000atm y chorros de líquido de hasta 280m/s de velocidad. El fenómeno de la cavitación acústica y sus efectos en los procesos químicos se conoce con el nombre de sonoquímica.
Una aplicación habitual de los ultrasonidos es la preparación de catalizadores heterogéneos: las fuerzas de cavitación de los ultrasonidos activan la superficie del catalizador, ya que la erosión cavitacional genera superficies no pasivadas y altamente reactivas. Además, la transferencia de masa mejora notablemente gracias a la corriente turbulenta de líquido. La elevada colisión de partículas provocada por la cavitación acústica elimina los revestimientos superficiales de óxido de las partículas de polvo, lo que da lugar a la reactivación de la superficie del catalizador.
Síntesis del catalizador dopado con paladio utilizando el sonicador UIP1000hdT
Estudio e imagen: ©Prekob et al., 2020
Preparación ultrasónica de catalizadores Fischer-Tropsch
El proceso Fischer-Tropsch contiene varias reacciones químicas que convierten una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno en hidrocarburos líquidos. Para la síntesis Fischer-Tropsch se pueden utilizar diversos catalizadores, pero los más utilizados son los metales de transición cobalto, hierro y rutenio. La síntesis de Fischer-Tropsch a alta temperatura se realiza con un catalizador de hierro.
Como los catalizadores Fischer-Tropsch son susceptibles de envenenamiento catalítico por compuestos que contienen azufre, la reactivación ultrasónica es de gran importancia para mantener la plena actividad catalítica y selectividad.
- Precipitación o cristalización
- (Nano) Partículas de tamaño y forma bien controlados
- Propiedades de las superficies modificadas y funcionalizadas
- Síntesis de partículas dopadas o core-shell
- Estructuración mesoporosa
Síntesis ultrasónica de catalizadores Core-Shell
Las nanoestructuras Core-shell son nanopartículas encapsuladas y protegidas por una cubierta exterior que aísla las nanopartículas e impide su migración y coalescencia durante las reacciones catalíticas.
Pirola et al. (2010) han preparado catalizadores Fischer-Tropsch basados en hierro y soportados por sílice con una elevada carga de metal activo. En su estudio se demuestra que la impregnación asistida por ultrasonidos del soporte de sílice mejora la deposición del metal y aumenta la actividad del catalizador. Los resultados de la síntesis de Fischer-Tropsch han indicado que los catalizadores preparados por ultrasonidos son los más eficaces, especialmente cuando la impregnación ultrasónica se realiza en atmósfera de argón.
UIP2000hdT – Potente sonicador de 2 kW para preparar catalizadores.
Reactivación ultrasónica de catalizadores
El tratamiento ultrasónico de la superficie de las partículas es un método rápido y sencillo para regenerar y reactivar catalizadores gastados y pasivados. La regenerabilidad del catalizador permite su reactivación y reutilización, por lo que es un paso del proceso económico y respetuoso con el medio ambiente.
El tratamiento ultrasónico de partículas elimina las capas pasivantes inactivadoras, el ensuciamiento y las impurezas de la partícula catalizadora, que bloquean los sitios de reacción catalítica. La sonicación de un lodo de catalizador usado produce un lavado a chorro de la superficie de la partícula de catalizador, eliminando así los depósitos del sitio catalíticamente activo. Tras la ultrasonicación, la actividad del catalizador recupera la misma eficacia que la del catalizador fresco. Además, la sonicación rompe los aglomerados y proporciona una distribución homogénea y uniforme de partículas monodispersas, lo que aumenta la superficie de las partículas y, por tanto, el sitio catalítico activo. Por lo tanto, la recuperación ultrasónica del catalizador da lugar a catalizadores regenerados con una elevada superficie activa para mejorar la transferencia de masa.
La regeneración ultrasónica de catalizadores funciona con partículas minerales y metálicas, partículas (meso)porosas y nanocompuestos.
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Sonómetros de alto rendimiento para la síntesis sonoquímica de catalizadores Fischer-Tropsch
Los sonicadores Hielscher son muy utilizados en la síntesis de catalizadores debido a su diseño robusto, precisión y escalabilidad, y ofrecen ventajas significativas sobre los equipos de sonicación generales. Estas unidades proporcionan energía ultrasónica de alta intensidad y controlable con precisión, lo que es fundamental para lograr una dispersión uniforme de los materiales precursores y facilitar la nucleación y el crecimiento precisos de las partículas de catalizador. Los sofisticados sistemas de control permiten a los investigadores regular con precisión parámetros como la potencia de salida y la duración del pulso, garantizando resultados experimentales reproducibles, un factor vital en la ciencia de materiales. Además, los sonicadores Hielscher son conocidos por su durabilidad y capacidad para trabajar a distintas escalas, desde pequeños lotes de laboratorio hasta operaciones en plantas piloto, lo que permite la transición eficaz de prometedoras formulaciones catalíticas desde la investigación a escala de laboratorio hasta la aplicación industrial. Los estándares alemanes de ingeniería y fabricación garantizan que los equipos de ultrasonidos Hielscher puedan funcionar de forma fiable las 24 horas del día, los 7 días de la semana, con cargas pesadas.
La tabla siguiente le ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Información interesante
¿Qué es la reacción Fischer-Tropsch?
La reacción de Fischer-Tropsch es un proceso químico catalítico que convierte el gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, en hidrocarburos como alcanos, alquenos, ceras y combustibles líquidos. Es una vía importante para producir combustibles sintéticos y productos químicos a partir de carbón, gas natural, biomasa o gas de síntesis derivado del CO₂.
¿Qué es un catalizador Fischer-Tropsch?
Un catalizador Fischer-Tropsch es un material catalítico sólido que favorece la hidrogenación y la conversión por crecimiento en cadena del monóxido de carbono con hidrógeno en hidrocarburos. Los metales activos más utilizados son el hierro, el cobalto y el rutenio, a menudo soportados sobre materiales como la alúmina, la sílice, la titania o el carbono para mejorar la superficie, la estabilidad y la selectividad.
¿Qué industrias utilizan las reacciones Fischer-Tropsch?
Las reacciones de Fischer-Tropsch se utilizan en la industria de los combustibles sintéticos, la industria petroquímica, la producción de gas a líquidos, la producción de carbón a líquidos, la producción de biomasa a líquidos y los sectores emergentes de la producción de electricidad a líquidos y la utilización de la captura de carbono. Son especialmente relevantes para la producción de gasóleo, combustible para aviones, lubricantes, ceras, olefinas y otras materias primas de hidrocarburos.
¿Qué aplicaciones tienen los catalizadores Fischer-Tropsch?
La síntesis Fischer-Tropsch es una categoría de procesos catalíticos que se aplican en la producción de combustibles y productos químicos a partir de gas de síntesis (mezcla de CO y H2), que puede ser
derivado del gas natural, el carbón o la biomasa el proceso Fischer-Tropsch, se utiliza un catalizador que contiene metales de transición para producir hidrocarburos a partir de los materiales de partida muy básicos hidrógeno y monóxido de carbono, que pueden derivarse de diversos recursos que contienen carbono, como el carbón, el gas natural, la biomasa e incluso los residuos.
Literatura / Referencias
- Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
- Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
- Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
- Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.