Catalisadores Fischer-Tropsch melhorados com Sonicação
Síntese melhorada de catalisadores Fischer-Tropsch com ultrassom: O tratamento ultrassónico de partículas de catalisador é utilizado para vários fins. A síntese ultra-sônica ajuda a criar nano-partículas modificadas ou funcionalizadas, que têm uma alta atividade catalítica. Os catalisadores gastos e envenenados podem ser facilmente e rapidamente recuperados por um tratamento de superfície ultra-sônico, que remove a incrustação inativadora do catalisador. Finalmente, a desaglomeração e dispersão ultra-sónicas resultam numa distribuição uniforme e monodispersa das partículas do catalisador para assegurar uma elevada superfície de partículas activas e transferência de massa para uma conversão catalítica óptima.
Vantagens da preparação do catalisador por ultra-sons para os processos Fischer-Tropsch
A sonicação oferece vantagens significativas na síntese de catalisadores Fischer-Tropsch, principalmente devido à sua capacidade de induzir um controlo preciso sobre a morfologia do catalisador e a distribuição do sítio ativo. A cavitação de alta energia gerada pelas ondas ultra-sónicas assegura uma mistura rápida e a desaglomeração eficaz dos materiais precursores, conduzindo a uma distribuição de tamanho de partículas altamente uniforme e a uma área de superfície aumentada. Esta homogeneidade melhorada resulta numa maior dispersão dos componentes activos, o que é crucial para maximizar o número de locais 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 difíceis.
Sonicator UIP1500hdT com célula de fluxo para a síntese sonoquímica de catalisadores Fischer-Tropsch
Efeitos ultra-sónicos nos catalisadores
Os ultra-sons de alta potência são bem conhecidos pela sua influência positiva nas reacções químicas. Quando ondas de ultra-sons intensas são introduzidas num meio líquido, é gerada cavitação acústica. A cavitação ultra-sónica produz localmente condições extremas com temperaturas muito elevadas de até 5.000K, pressões de aproximadamente 2.000atm e jactos de líquido com uma velocidade de até 280m/s. O fenómeno da cavitação acústica e os seus efeitos nos processos químicos são conhecidos sob o termo sonoquímica.
Uma aplicação comum dos ultra-sons é a preparação de catalisadores heterogéneos: as forças de cavitação dos ultra-sons activam a área de superfície do catalisador, uma vez que a erosão cavitacional gera superfícies não passivadas e altamente reactivas. Além disso, a transferência de massa é significativamente melhorada pelo fluxo turbulento de líquido. A elevada colisão de partículas causada pela cavitação acústica remove os revestimentos de óxido da superfície das partículas de pó, resultando na reativação da superfície do catalisador.
Síntese do catalisador dopado com paládio utilizando o sonicador UIP1000hdT
Estudo e imagem: ©Prekob et al., 2020
Preparação ultra-sónica de catalisadores Fischer-Tropsch
O processo Fischer-Tropsch contém várias reacções químicas que convertem uma mistura de monóxido de carbono e hidrogénio em hidrocarbonetos líquidos. Para a síntese de Fischer-Tropsch, pode ser utilizada uma variedade de catalisadores, mas os mais frequentemente utilizados são os metais de transição cobalto, ferro e ruténio. A síntese de Fischer-Tropsch a alta temperatura é efectuada com um catalisador de ferro.
Como os catalisadores Fischer-Tropsch são susceptíveis de envenenamento do catalisador por compostos contendo enxofre, a reativação ultra-sónica é de grande importância para manter a atividade catalítica completa e a seletividade.
- Precipitação ou cristalização
- (Nano-) Partículas com tamanho e forma bem controlados
- Propriedades de superfícies modificadas e funcionalizadas
- Síntese de partículas dopadas ou com núcleo de concha
- Estruturação mesoporosa
Síntese ultra-sônica de catalisadores Core-Shell
As nanoestruturas core-shell são nanopartículas encapsuladas e protegidas por um invólucro exterior que isola as nanopartículas e impede a sua migração e coalescência durante as reacções catalíticas
Pirola et al. (2010) prepararam catalisadores Fischer-Tropsch à base de ferro suportados em sílica com elevada carga de metal ativo. No seu estudo é mostrado que a impregnação ultrassonicamente assistida do suporte de sílica melhora a deposição de metal e aumenta a atividade do catalisador. Os resultados da síntese de Fischer-Tropsch indicaram os catalisadores preparados por ultra-sons como os mais eficientes, particularmente quando a impregnação ultra-sónica é realizada em atmosfera de árgon.
UIP2000hdT – Sonicador potente de 2kW para preparar catalisadores.
Reativação do catalisador por ultra-sons
O tratamento ultrassónico da superfície das partículas é um método rápido e fácil de regenerar e reativar catalisadores gastos e passivados. A regenerabilidade do catalisador permite a sua reativação e reutilização, constituindo assim uma etapa do processo económica e ecológica.
O tratamento ultrassónico das partículas remove as camadas passivantes inactivadoras, as incrustações e as impurezas das partículas do catalisador, que bloqueiam os locais de reação catalítica. A sonicação de uma pasta de catalisador gasto resulta na lavagem a jato da superfície da partícula do catalisador, removendo assim as deposições do local cataliticamente ativo. Após a ultra-sons, a atividade do catalisador é restaurada para a mesma eficácia que o catalisador fresco. Além disso, a sonicação quebra os aglomerados e proporciona uma distribuição homogénea e uniforme de partículas monodispersas, o que aumenta a área de superfície das partículas e, consequentemente, o local catalítico ativo. Assim, os rendimentos de recuperação de catalisador ultrassónico em catalisadores regenerados com uma elevada área de superfície ativa para uma melhor transferência de massa.
A regeneração ultrassónica de catalisadores funciona com partículas minerais e metálicas, partículas (meso)porosas e nanocompósitos.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Sonicadores de elevado desempenho para a síntese sonoquímica de catalisadores Fischer-Tropsch
Os sonicadores Hielscher são altamente favorecidos na síntese de catalisadores devido ao seu design robusto, precisão e escalabilidade, oferecendo vantagens significativas sobre o equipamento de sonicação geral. Estas unidades fornecem energia ultra-sónica controlável com precisão e de alta intensidade, o que é fundamental para obter uma dispersão uniforme dos materiais precursores e facilitar a nucleação precisa e o crescimento de partículas de catalisador. Os sofisticados sistemas de controlo permitem aos investigadores regular com precisão parâmetros como a potência de saída e a duração do impulso, assegurando resultados experimentais reprodutíveis - um fator vital na ciência dos materiais. Além disso, os sonicadores Hielscher são conhecidos pela sua durabilidade e capacidade de lidar com várias escalas, desde pequenos lotes de laboratório a operações de instalações-piloto, permitindo assim a transição eficiente de formulações catalíticas promissoras da investigação à escala de bancada para a aplicação industrial. As normas alemãs de engenharia e fabrico garantem que o equipamento ultrassónico da Hielscher pode funcionar de forma fiável 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob cargas pesadas.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada 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.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
Contactar-nos! / Pergunte-nos!
Fatos, vale a pena conhecer
O que é a Reação de Fischer-Tropsch?
A reação de Fischer-Tropsch é um processo químico catalítico que converte o 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 a produção de combustíveis sintéticos e produtos químicos a partir de carvão, gás natural, biomassa ou gás de síntese derivado do CO₂.
O que é um catalisador Fischer-Tropsch?
Um catalisador Fischer-Tropsch é um material catalítico sólido que promove a hidrogenação e a conversão do crescimento da cadeia de monóxido de carbono com hidrogénio em hidrocarbonetos. Os metais activos mais utilizados são o ferro, o cobalto e o ruténio, frequentemente suportados em materiais como a alumina, a sílica, a titânia ou o carbono para melhorar a área de superfície, a estabilidade e a seletividade.
Que indústrias utilizam as reacções Fischer-Tropsch?
As reacções Fischer-Tropsch são utilizadas na indústria de combustíveis sintéticos, na indústria petroquímica, na produção de gás para líquidos, na produção de carvão para líquidos, na produção de biomassa para líquidos e em sectores emergentes de utilização de energia para líquidos e captura de carbono. São especialmente relevantes para a produção de gasóleo, combustível para aviação, 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
O processo Fischer-Tropsch utiliza um catalisador contendo metais de transição para produzir hidrocarbonetos a partir dos materiais de base hidrogénio e monóxido de carbono, que podem ser obtidos a partir de vários recursos contendo carbono, como o carvão, o gás natural, a biomassa e até mesmo resíduos.
Literatura / 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 ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.