Caracterización y análisis de material catalítico

De acuerdo con los cálculos, el 90 % de los productos químicos producidos de forma comercial incluyen catalizadores en alguna etapa de su fabricación. Se estima que la demanda de catalizadores es de aproximadamente unos treinta mil millones de dólares, y se espera que crezca durante la próxima década en la medida que la demanda de sustancias químicas, polímeros y petroquímicos aumenta, a la vez que lo hace la necesidad de reducir los costos del proceso, el uso de la energía y las emisiones.

Sin embargo, no solo es la producción química la que impulsará la necesidad de desarrollar mejores catalizadores. Las demandas ambientales también están impulsando la necesidad no solo de energía más limpia, sino también de la utilización de materiales de desecho como polímeros y CO2, que a su vez requerirán el desarrollo de nuevos procesos y materiales catalíticos. A continuación, se exhiben algunos ejemplos:

Producción de hidrógeno de alto volumen y bajo costo para uso en celdas de combustible y motores de combustión
Transformación de residuos municipales y plásticos en biocombustibles y materias primas para químicos
Utilización del CO2 en la producción de químicos y polímeros novedosos

Estos requisitos se encuentran entre los principales requisitos existentes, tales como la optimización y la producción de convertidores catalíticos para el sector automotor y de catalizadores más eficientes para el craqueo catalítico fluidizado (FCC) en la industria petroquímica.

¿Por qué es importante la caracterización de catalizadores?

La caracterización es fundamental para el diseño y el desarrollo de catalizadores novedosos, pero también para el desarrollo y la optimización de procesos, lo que incluye la ampliación y la solución de problemas. Por ejemplo, la mayoría de los catalizadores heterogéneos constan de un metal u óxido de metal activo catalíticamente y que está ubicado en la superficie de un soporte de óxido de metal; por lo tanto, es importante optimizar la química estructural y superficial a fin de brindar la selectividad y reactividad adecuadas para el proceso de interés. Otras características, como el tamaño de las partículas, su porosidad y el área de la superficie, también son importantes, por ejemplo, para optimizar la difusión y la adsorción.

¿Cómo pueden ayudar las soluciones de Malvern Panalytical?

Malvern Panalytical tiene una amplia gama de soluciones complementarias para el análisis físico, estructural y elemental de los materiales catalizadores, esto incluye el tamaño de las partículas, la forma de las partículas, el potencial zeta, la composición elemental y la estructura cristalina:

Fluorescencia de rayos X

La fluorescencia de rayos X (XRF) se utiliza ampliamente para analizar la composición elemental de una gama de catalizadores debido a su alta precisión y capacidad de reproducción. Entre los ejemplos se incluyen los siguientes: Pt, Pd y Rh en los convertidores catalíticos; Al, Ni, V, TI, Fe y S en procesos catalíticos para el craqueo catalítico fluidizado (FCC); y relaciones de Si/Al en zeolitas. La XRF también se puede utilizar para detectar la presencia y la concentración de venenos catalíticos que causan la desactivación química, incluidos el Cl, el S, el Sn y el Pb. El análisis de XRF puede ahorrar mucho tiempo y dinero en comparación con las técnicas alternativas, y Malvern Panalytical ofrece tres soluciones principales: los sistemas de sobremesa EDXRF, como Epsilon 4; los sistemas de piso WDXRF, como Zetium; y las soluciones en línea como Epsilon XFlow. Malvern Panalytical también proporciona varias soluciones de preparación de muestra para XRF, ICP y AA a través de su cartera de productos de Claisse.

Difracción de rayos X

La difracción de rayos X (XRD, del inglés X-ray diffraction) es una herramienta fundamental para el diseño, el desarrollo y la producción de catalizadores, ya que puede brindar información acerca de la estructura principal y la composición de los materiales catalizadores sólidos, como los óxidos metálicos y las zeolitas. Los sistemas de XRD se utilizan con frecuencia para monitorear la producción de catalizadores a través del craqueo catalítico fluidizado (FCC), en particular, durante el análisis del tamaño de las celdas de una unidad y el análisis de la cristalinidad. La XRD también se puede utilizar para determinar el tamaño de los cristalitos, ya sea con el análisis de los anchos de los puntos máximos de una medición típica de difracción o con el uso de la dispersión de rayos X de ángulo reducido (SAXS, del inglés small angle X-ray scattering). También se pueden estudiar materiales no cristalinos por medio del análisis de distribución de pares (PDF, del inglés pair distribution function analysis). Malvern Panalytical ofrece dos soluciones de XRD principales: el difractómetro de sobremesa Aeris para el análisis de rutina y el difractómetro multiuso Empyrean para un análisis estructural más detallado.

Difracción láser

La difracción láser es una técnica de dimensionamiento de partículas ampliamente utilizada para los materiales que varían en tamaño entre cientos de nanómetros y varios milímetros. Esta se puede aplicar a dispersiones húmedas o secas en el laboratorio o en una línea de proceso. Para aplicaciones de catalizadores, los datos sobre el tamaño de la partícula que se generan a través de la difracción láser se pueden utilizar para calcular un área de superficie específica (SSA, del inglés specific surface area). Para ello, se ha de convertir la distribución de volumen informada en una distribución de área de superficie. Las titulaciones de presión también pueden ayudar a comprender el riesgo de desgaste, un factor importante para predecir la vida útil de los catalizadores en reactores de lecho fluidizado. El Mastersizer de Malvern Panalytical es la herramienta de medición de partículas más utilizada para el análisis de catalizador en un entorno de laboratorio, mientras que Insitec se puede utilizar para el análisis en línea en un entorno de producción.

Otras tecnologías

Además de las técnicas mencionadas con anterioridad, Malvern Panalytical ofrece varias otras soluciones para el análisis de catalizadores, que incluyen el Zetasizer, que se utiliza para evaluar el tamaño y la estabilidad de dispersión de las partículas; y el Morphologi 4, que utiliza el análisis de imágenes para determinar la distribución del tamaño y la forma de las partículas. Morphologi 4 también está disponible con un espectrómetro Raman integrado, que proporciona información química de una partícula específica.