Catalisadores Fischer-Tropsch melhorados com sonicação
Síntese melhorada de catalisadores Fischer-Tropsch com ultrassons: o tratamento ultrassónico de partículas de catalisador é utilizado para diversas finalidades. A síntese ultrassónica ajuda a criar nanopartículas modificadas ou funcionalizadas com elevada atividade catalítica. Os catalisadores usados e envenenados podem ser recuperados de forma fácil e rápida através de um tratamento ultrassónico da superfície, que remove do catalisador os depósitos que o inativam. Por fim, a desaglomeração e a dispersão ultrassónicas resultam numa distribuição uniforme e monodispersa das partículas de catalisador, assegurando uma elevada área superficial ativa das partículas e uma transferência de massa que permitem uma conversão catalítica ótima.
Vantagens da preparação ultrassónica de catalisadores para processos Fischer-Tropsch
A sonicação oferece vantagens significativas na síntese de catalisadores Fischer-Tropsch, principalmente devido à sua capacidade de permitir um controlo preciso da morfologia do catalisador e da distribuição dos centros ativos. A cavitação de elevada energia gerada pelas ondas ultrassónicas assegura uma mistura rápida e a desaglomeração eficaz dos materiais precursores, conduzindo a uma distribuição altamente uniforme do tamanho das partículas e a uma maior área superficial. Esta maior homogeneidade resulta numa maior dispersão dos componentes ativos, o que é crucial para maximizar o número de centros de reação acessíveis. Além disso, a cinética de mistura controlada conduz frequentemente à formação de estruturas altamente estáveis e porosas, melhorando assim o desempenho catalítico, a seletividade e a estabilidade a longo prazo do catalisador em condições de reação severas.
Sonicador UIP1500hdT com célula de fluxo para a síntese sonoquímica de catalisadores Fischer-Tropsch
Efeitos ultrassónicos nos catalisadores
Os ultrassons de alta potência são bem conhecidos pela sua influência positiva nas reações químicas. Quando se introduzem ondas ultrassónicas intensas num meio líquido, gera-se cavitação acústica. A cavitação ultrassónica produz condições localmente extremas com temperaturas muito elevadas de até 5 000K, pressões de aprox. 2 000atm e jatos de líquido com velocidades de até 280m/s. O fenómeno da cavitação acústica e os seus efeitos nos processos químicos são conhecidos pelo termo sonoquímica.
Uma aplicação comum dos ultrassons é a preparação de catalisadores heterogéneos: as forças de cavitação ultrassónica ativam a área superficial do catalisador, uma vez que a erosão por cavitação gera superfícies não passivadas e altamente reativas. Além disso, a transferência de massa é significativamente melhorada pelo escoamento turbulento do líquido. As colisões intensas entre partículas causadas pela cavitação acústica removem os revestimentos de óxido da superfície das partículas de pó, resultando na reativação da superfície do catalisador.
Síntese de catalisador dopado com paládio utilizando o sonicador UIP1000hdT
Estudo e imagem: ©Prekob et al., 2020
Preparação ultrassónica de catalisadores Fischer-Tropsch
O processo Fischer-Tropsch compreende várias reações químicas que convertem uma mistura de monóxido de carbono e hidrogénio em hidrocarbonetos líquidos. Na síntese Fischer-Tropsch, podem ser utilizados diversos catalisadores, mas os mais frequentemente utilizados são os metais de transição cobalto, ferro e ruténio. A síntese Fischer-Tropsch a alta temperatura é realizada com um catalisador de ferro.
Como os catalisadores Fischer-Tropsch são suscetíveis ao envenenamento por compostos que contêm enxofre, a reativação ultrassónica é de grande importância para manter a plena atividade catalítica e seletividade.
- Precipitação ou cristalização
- (Nano)partículas com tamanho e forma bem controlados
- Propriedades superficiais modificadas e funcionalizadas
- Síntese de partículas dopadas ou de núcleo–casca
- Estruturação mesoporosa
Síntese ultrassónica de catalisadores de núcleo–casca
As nanoestruturas de núcleo–casca são nanopartículas encapsuladas e protegidas por uma casca exterior que isola as nanopartículas e impede a sua migração e coalescência durante as reações catalíticas
Pirola et al. (2010) prepararam catalisadores Fischer-Tropsch à base de ferro, suportados em sílica, com uma elevada carga de metal ativo. O seu estudo mostra que a impregnação do suporte de sílica assistida por ultrassons melhora a deposição do metal e aumenta a atividade do catalisador. Os resultados da síntese Fischer-Tropsch indicaram que os catalisadores preparados por sonicação são os mais eficientes, particularmente quando a impregnação ultrassónica é realizada numa atmosfera de árgon.
UIP2000hdT – sonicador potente de 2kW para preparar catalisadores.
Reativação ultrassónica de catalisadores
O tratamento ultrassónico da superfície das partículas é um método rápido e simples para regenerar e reativar catalisadores usados e passivados. A capacidade de regeneração do catalisador permite a sua reativação e reutilização, constituindo assim uma etapa de processo económica e amiga do ambiente.
O tratamento ultrassónico das partículas remove da partícula de catalisador as camadas passivantes que a inativam, os depósitos e as impurezas que bloqueiam os centros de reação catalítica. A sonicação de uma suspensão de catalisador usado resulta na lavagem por jatos da superfície das partículas de catalisador, removendo assim os depósitos dos centros cataliticamente ativos. Após a sonicação, a atividade do catalisador é restabelecida ao mesmo nível de eficácia de um catalisador novo. Além disso, a sonicação desfaz os aglomerados e proporciona uma distribuição homogénea e uniforme de partículas monodispersas, o que aumenta a área superficial das partículas e, consequentemente, a área cataliticamente ativa. Assim, a recuperação ultrassónica de catalisadores produz catalisadores regenerados com uma elevada área superficial ativa, melhorando a transferência de massa.
A regeneração ultrassónica de catalisadores funciona com partículas minerais e metálicas, partículas (meso)porosas e nanocompósitos.
Saiba mais sobre a regeneração ultrassónica de catalisadores usados!
Sonicadores de alto desempenho para a síntese sonoquímica de catalisadores Fischer-Tropsch
Os sonicadores Hielscher são muito apreciados na síntese de catalisadores devido à sua conceção robusta, precisão e capacidade de aumento de escala, oferecendo vantagens significativas em relação aos equipamentos de sonicação de uso geral. Estas unidades fornecem energia ultrassónica de alta intensidade, controlável com precisão, o que é fundamental para conseguir uma dispersão uniforme dos materiais precursores e facilitar a nucleação e o crescimento precisos das partículas de catalisador. Os sofisticados sistemas de controlo permitem aos investigadores regular com precisão parâmetros como a potência de saída e a duração dos impulsos, assegurando resultados experimentais reprodutíveis – um fator vital na ciência dos materiais. Além disso, os sonicadores Hielscher são conhecidos pela sua durabilidade e capacidade de trabalhar a várias escalas, desde pequenos lotes de laboratório até operações em instalações-piloto, permitindo assim a transição eficiente de formulações promissoras de catalisadores da investigação à escala de bancada para a aplicação industrial. As normas alemãs de engenharia e fabrico asseguram que os equipamentos ultrassónicos Hielscher podem funcionar de forma fiável em regime 24/7 sob cargas de trabalho intensas.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:
| Volume do lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Informações úteis
O que é a reação Fischer-Tropsch?
A reação Fischer-Tropsch é um processo químico catalítico que converte gás de síntese, uma mistura de monóxido de carbono e hidrogénio, em hidrocarbonetos como alcanos, alcenos, ceras e combustíveis líquidos. É uma via importante para produzir combustíveis sintéticos e produtos químicos a partir de carvão, gás natural, biomassa ou gás de síntese derivado de CO₂.
O que é um catalisador Fischer-Tropsch?
Um catalisador Fischer-Tropsch é um material catalítico sólido que promove a hidrogenação e a conversão de monóxido de carbono com hidrogénio em hidrocarbonetos por crescimento de cadeia. Os metais ativos mais amplamente utilizados são o ferro, o cobalto e o ruténio, frequentemente suportados em materiais como alumina, sílica, titânia ou carbono para melhorar a área superficial, a estabilidade e a seletividade.
Que indústrias utilizam reações Fischer-Tropsch?
As reações Fischer-Tropsch são utilizadas na indústria dos combustíveis sintéticos, na indústria petroquímica, na produção de líquidos a partir de gás, na produção de líquidos a partir de carvão, na produção de líquidos a partir de biomassa e nos setores emergentes de produção de líquidos a partir de eletricidade e de captura e utilização de carbono. São especialmente relevantes para produzir gasóleo, combustível para aviação a jato, lubrificantes, ceras, olefinas e outras matérias-primas de hidrocarbonetos.
Quais são as aplicações dos catalisadores Fischer-Tropsch?
A síntese Fischer–Tropsch é uma categoria de processos catalíticos que são aplicados na produção de combustíveis e produtos químicos a partir de gás de síntese (mistura de CO e H2), que pode ser
obtido a partir de gás natural, carvão ou biomassa. No processo Fischer-Tropsch, utiliza-se um catalisador que contém um metal de transição para produzir hidrocarbonetos a partir das matérias-primas muito básicas hidrogénio e monóxido de carbono, que podem ser obtidas a partir de diversos recursos que contêm carbono, como carvão, gás natural, biomassa e até resíduos.
Bibliografia / Referências
- 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.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de alto desempenho, desde a escala laboratorial até à escala industrial.