Catalizadores Fischer-Tropsch mejorados mediante sonicación
Síntesis mejorada de catalizadores Fischer-Tropsch con ultrasonidos: el tratamiento ultrasónico de las partículas de catalizador se utiliza con diversos fines. La síntesis ultrasónica permite crear nanopartículas modificadas o funcionalizadas con una elevada actividad catalítica. Los catalizadores agotados y envenenados pueden recuperarse de forma rápida y sencilla mediante un tratamiento ultrasónico de la superficie que elimina los depósitos que desactivan el catalizador. Por último, la desaglomeración y la dispersión ultrasónicas producen una distribución uniforme y monodispersa de las partículas de catalizador, lo que garantiza una elevada superficie activa de las partículas y una transferencia de masa adecuada 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 por su capacidad para controlar con precisión la morfología del catalizador y la distribución de los sitios activos. 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 muy uniforme del tamaño de partícula y a una mayor superficie. Esta mayor homogeneidad permite una mejor dispersión de los componentes activos, algo crucial para maximizar el número de sitios de reacción accesibles. Además, la cinética de mezcla controlada suele favorecer la formación de estructuras muy estables y porosas, lo que mejora el rendimiento catalítico, la selectividad y la estabilidad a largo plazo del catalizador en condiciones de reacción exigentes.
Sonicador UIP1500hdT con celda de flujo para la síntesis sonoquímica de catalizadores Fischer-Tropsch
Efectos de los ultrasonidos sobre los catalizadores
Los ultrasonidos de alta potencia son 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 condiciones locales extremas, con temperaturas muy elevadas de hasta 5.000K, presiones de aproximadamente 2.000atm y chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s. El fenómeno de la cavitación acústica y sus efectos sobre los procesos químicos se conocen como sonoquímica.
Una aplicación habitual de los ultrasonidos es la preparación de catalizadores heterogéneos: las fuerzas de cavitación ultrasónica activan la superficie del catalizador, ya que la erosión por cavitación genera superficies no pasivadas y muy reactivas. Además, el flujo turbulento del líquido mejora significativamente la transferencia de masa. Las intensas colisiones entre partículas provocadas por la cavitación acústica eliminan las capas superficiales de óxido de las partículas de polvo, lo que reactiva la superficie del catalizador.
Síntesis de un 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 comprende varias reacciones químicas que convierten una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno en hidrocarburos líquidos. En la síntesis Fischer-Tropsch pueden utilizarse diversos catalizadores, aunque los más empleados son los metales de transición cobalto, hierro y rutenio. La síntesis Fischer-Tropsch a alta temperatura se realiza con un catalizador de hierro.
Dado que los catalizadores Fischer-Tropsch son susceptibles al envenenamiento por compuestos que contienen azufre, la reactivación ultrasónica resulta de gran importancia para mantener la actividad catalítica y la selectividad plenas.
- Precipitación o cristalización
- (Nano)partículas con tamaño y forma bien controlados
- Propiedades superficiales modificadas y funcionalizadas
- Síntesis de partículas dopadas o de tipo núcleo–cubierta
- Estructuración mesoporosa
Síntesis ultrasónica de catalizadores de tipo núcleo–cubierta
Las nanoestructuras de tipo núcleo–cubierta son nanopartículas encapsuladas y protegidas por una cubierta externa que las aísla y evita su migración y coalescencia durante las reacciones catalíticas.
Pirola et al. (2010) prepararon catalizadores Fischer-Tropsch basados en hierro y soportados sobre sílice, con una elevada carga de metal activo. Su estudio demuestra que la impregnación del soporte de sílice asistida por ultrasonidos mejora la deposición del metal y aumenta la actividad del catalizador. Los resultados de la síntesis Fischer-Tropsch señalaron que los catalizadores preparados mediante sonicación eran los más eficientes, especialmente cuando la impregnación ultrasónica se realizaba en una 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 agotados y pasivados. La capacidad de regeneración del catalizador permite su reactivación y reutilización, por lo que constituye una etapa del proceso económica y respetuosa con el medio ambiente.
El tratamiento ultrasónico de las partículas elimina las capas pasivantes, los depósitos y las impurezas que desactivan las partículas de catalizador al bloquear los sitios de reacción catalítica. La sonicación de una suspensión de catalizador agotado provoca un lavado por chorros de la superficie de las partículas de catalizador, que elimina los depósitos de los sitios catalíticamente activos. Tras la sonicación, la actividad del catalizador recupera la misma eficacia que la de un catalizador nuevo. 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, con ello, la superficie catalíticamente activa. Por tanto, la recuperación ultrasónica de catalizadores permite obtener catalizadores regenerados con una elevada superficie activa que mejora la transferencia de masa.
La regeneración ultrasónica de catalizadores funciona con partículas minerales y metálicas, partículas porosas y mesoporosas, y nanocompuestos.
¡Más información sobre la regeneración ultrasónica de catalizadores agotados!
Sonicadores de alto rendimiento para la síntesis sonoquímica de catalizadores Fischer-Tropsch
Los sonicadores Hielscher gozan de gran aceptación en la síntesis de catalizadores gracias a su diseño robusto, su precisión y su escalabilidad, y ofrecen ventajas significativas frente a los equipos de sonicación de uso general. Estos equipos suministran energía ultrasónica de alta intensidad que puede controlarse con precisión, algo fundamental para lograr una dispersión uniforme de los materiales precursores y facilitar una nucleación y un crecimiento precisos de las partículas de catalizador. Los sofisticados sistemas de control permiten a los investigadores regular con exactitud parámetros como la potencia de salida y la duración de los pulsos, lo que garantiza resultados experimentales reproducibles –un factor vital en la ciencia de materiales–. Además, los sonicadores Hielscher son conocidos por su durabilidad y su capacidad para trabajar a distintas escalas, desde pequeños lotes de laboratorio hasta operaciones en plantas piloto, lo que permite trasladar de forma eficiente formulaciones prometedoras de catalizadores desde la investigación a escala de laboratorio hasta la aplicación industrial. Los estándares alemanes de ingeniería y fabricación garantizan que los equipos ultrasónicos Hielscher puedan funcionar de forma fiable en régimen 24/7 bajo cargas de trabajo exigentes.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen por lote | Caudal | Equipos 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 | conjunto de UIP16000 |
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Datos de interés
¿Qué es la reacción Fischer-Tropsch?
La reacción 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 de CO₂.
¿Qué es un catalizador Fischer-Tropsch?
Un catalizador Fischer-Tropsch es un material catalítico sólido que favorece la hidrogenación y la conversión del monóxido de carbono con hidrógeno en hidrocarburos mediante el crecimiento de cadenas. Los metales activos más utilizados son el hierro, el cobalto y el rutenio, a menudo soportados sobre materiales como alúmina, sílice, titania o carbono para mejorar la superficie, la estabilidad y la selectividad.
¿Qué industrias utilizan las reacciones Fischer-Tropsch?
Las reacciones Fischer-Tropsch se utilizan en la industria de los combustibles sintéticos, la industria petroquímica, la producción de líquidos a partir de gas, carbón y biomasa, y los sectores emergentes de producción de líquidos a partir de electricidad y de captura y utilización de carbono. Son especialmente relevantes para producir diésel, combustible de aviación, lubricantes, ceras, olefinas y otras materias primas de hidrocarburos.
¿Cuáles son las aplicaciones de los catalizadores Fischer-Tropsch?
La síntesis Fischer–Tropsch es una categoría de procesos catalíticos que se aplican a la producción de combustibles y productos químicos a partir de gas de síntesis (mezcla de CO y H2), que puede obtenerse
a partir de gas natural, carbón o biomasa. En el proceso Fischer-Tropsch se utiliza un catalizador que contiene un metal de transición para producir hidrocarburos a partir de materias primas muy básicas, el hidrógeno y el monóxido de carbono, que pueden obtenerse de diversos recursos que contienen carbono, como carbón, gas natural, biomasa e incluso residuos.
Bibliografía / 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 desde escala de laboratorio hasta escala industrial.