Caracterização e análise do material catalítico

De acordo com estimativas, 90% de todos os produtos químicos produzidos comercialmente envolvem catalisadores em algum estágio da fabricação. Estima-sCominuição e que a demanda por catalisadores seja de cerca de 30 bilhões de dólares, e espera-se que cresça durante a próxima década conforme aumentar a demanda de produtos químicos, polímeros e petroquímicos, juntamente com a crescente necessidade de reduzir os custos de processo, a utilização de energia e as emissões.

No entanto, não é apenas a produção química que impulsionará a necessidade de catalisadores melhores. As exigências ambientais também estão motivando a necessidade não só de energia mais limpa, como também de utilização de materiais residuais, como polímeros e CO2, o que, por sua vez, exigirá o desenvolvimento de novos processos e materiais catalisadores. Os exemplos incluem:

Produção de hidrogênio de baixo custo e volume elevado para utilização em células combustíveis e motores a combustão
Conversão de resíduos e plásticos municipais em biocombustíveis e matérias-primas químicas
Utilizando CO2 na produção de novos produtos químicos e polímeros

Esses requisitos estão em cima dos requisitos existentes, como a otimização e a produção de conversores catalisadores para o setor de automóveis e catalisadores de craqueamento catalítico de fluidos mais eficientes (FCC) para a indústria petroquímica.

Por que a caracterização do catalisador é importante?

A caracterização é essencial tanto para o projeto como para o desenvolvimento de novos catalisadores, assim como para o desenvolvimento e otimização de processos, incluindo o aumento de escala e a resolução de problemas. A maioria dos catalisadores heterogêneos, por exemplo, consiste de um metal ou óxido de metal catalisado, localizado na superfície de um suporte de óxido de metal, de modo que é importante otimizar a estrutura e a química da superfície para proporcionar a seletividade e reatividade adequadas ao processo de interesse. Outras características, como o tamanho das partículas, a porosidade e a área da superfície, também são importantes para otimizar a difusão e a adsorção, por exemplo.

Como as soluções da Malvern Panalytical podem ajudar?

A Malvern Panalytical tem diversas soluções complementares para a análise física, estrutural e elementar de materiais catalisadores, incluindo o tamanho das partículas, a forma das partículas, o potencial Zeta, a composição elementar e a estrutura de cristais:

Fluorescência de raios X

A fluorescência de raios X (XRF) é amplamente utilizada para analisar a composição elementar de diversos catalisadores devido à sua elevada precisão e reprodutibilidade. Os exemplos incluem Pt, Pd e Rh em catalisadores; Al, Ni, V, Ti, Fe e S em processos catalíticos de FCC e relações Si/Al em zeólitos. O XRF também pode ser utilizado para detectar a presença e a concentração de venenos catalizadores que provocam a desativação química, incluindo Cl, S, Sn e Pb. A análise XRF pode economizar muito tempo e dinheiro em comparação com técnicas alternativas, e a Malvern Panalytical fornece três soluções principais: sistemas de bancada EDXRF, como o Epsilon 4, sistemas WDXRF de chão, como o Zetium, e soluções on-line, como o Epsilon XFlow. A Malvern Panalytical também fornece várias soluções de preparação da amostra para XRF, ICP e AA pelo portfólio Claisse.

Difração de raios X

A difração de raios X (XRD) é uma ferramenta fundamental para projeto, desenvolvimento e produção de catalisadores, pois pode fornecer informações sobre a estrutura a granel e a composição de materiais catalisadores sólidos, como óxidos de metal e zeólitos. Os sistemas XRD são utilizados rotineiramente para monitorar a produção de catalisadores FCC, em particular analisando o tamanho da célula unitária e a cristalinidade. O XRD também pode ser utilizado para determinar o tamanho de cristalização pela análise das larguras de pico de uma medição de difração típica ou pela dispersão de raios X em pequeno ângulo (SAXS). Materiais não cristalinos também podem ser estudados utilizando a análise de distribuição de pares (PDF). A Malvern Panalytical fornece duas soluções XRD principais, o difratômetro de bancada Aeris para análise de rotina e o difratômetro multiuso Empyrean para uma análise estrutural mais detalhada.

Difração laser

A difração laser é uma técnica de dimensionamento de partículas amplamente utilizada para materiais que variam entre centenas de nanômetros a vários milímetros e pode ser aplicada a dispersões úmidas ou secas no laboratório ou em uma linha de processo. Para aplicações do catalisador, os dados de tamanho das partículas gerados pela difração laser podem ser utilizados para calcular uma área de superfície específica (SSA) pela conversão da distribuição do volume reportado em uma distribuição de área de superfície. As titulações de pressão também podem ajudar a compreender o risco de atrito, um fator importante para predizer a vida dos catalisadores em reatores de leito fluidificado. O Mastersizer 3000 da Malvern Panalytical é a ferramenta de dimensionamento de partículas mais utilizada para a análise de catalisadores em um ambiente de laboratório, enquanto a Insitec pode ser utilizada para a análise em linha em um ambiente de produção.

Outras tecnologias

Além das técnicas acima mencionadas, a Malvern Panalytical oferece várias outras soluções para a análise de catalisadores, incluindo a Zetasizer, que é utilizada para avaliar o tamanho e a estabilidade das dispersões de partículas, e a Morphologi 4, que utiliza a análise de imagens para determinar a forma e a distribuição de tamanho das partículas. O Morphologi 4 também está disponível com um espectrômetro Raman integrado, que fornece informações químicas específicas sobre partículas.