Aplicaciones industriales de la catálisis heterogénea

Proceso Heber: ¿Qué es? (En qué consiste)

Para sintetizar amoniaco muchos químicos intentaron hacerlo a partir de nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno tiene fuente básicamente inagotable en la atmósfera, y el hidrógeno puede producirse a través de pasar vapor sobre carbón calentado.

En su caso, la formación de amoniaco a partir de N2 y H2 es exotérmica:

Sin embargo, la velocidad de esta reacción a temperatura ambiente resulta muy lenta, lo que es un enorme inconveniente para los procesos industriales.

Proceso Heber: ¿Qué es? (En qué consiste)

Si se aumenta la temperatura, se acelera la reacción; pero también se produce una descomposición de moléculas de antimonio en N2 y H2, lo que reduce el rendimiento del NH3, y se convierte en un proceso deficiente a nivel industrial.

Es por ello que el proceso Heber para la síntesis de antimonio resulta altamente conveniente: el químico alemán Fritz Heber descubrió, en 1905, que el hierro, más un pequeño porcentaje de óxidos de potasio y aluminio, cataliza la reacción del H2 y el N2 para producir NH3, a una temperatura aproximada de 500 °C. Lo que resulta en un aceleramiento de la reacción a partir de una catálisis heterogénea por un catalizador en estado sólido.

Proceso Heber: ¿Por qué?

Debido a la lentitud del proceso de síntesis de amoniaco a partir de N2 y H2, en donde la reacción a temperatura ambiente tarda demasiado para ser un eficiente proceso industrial.

En caso de aumentarse la temperatura, moléculas de amoniaco se separan y forman N2 y H2, lo que reduce la eficacia del proceso.

Proceso Heber: ¿Por qué?

De esta manera, el proceso Haber sí muestra eficiencia a nivel industrial, al aportar a la rección un catalizador sólido, con lo que se reduce la energía de activación de la reacción.

Proceso Heber: ¿Para qué?

Con el proceso Heber es posible catalizar la reacción de síntesis de NH3, haciendo el proceso eficiente a niveles industriales.

Proceso Heber: ¿Cómo?

En la catálisis heterogénea, es en la superficie del catalizador sólido en donde, por lo general, se lleva a cabo la reacción. La etapa inicial del proceso Haber implica la disociación del N2 y H2 en la superficie del metal. Sin emnargo, las especies disociadas no son realmente átomos libre, ya que están unidas a la superficie del catalizador. Aún así, estas especies son muy reactivas.

Las dos moléculas de reactivos se comportan de manera muy distinta sobre la superficie del metal: por un lado el H2 se disocia el hidrógeno atómico a -196 °C, mientras que el N2 lo hace a 500 °C.

De esta manera, dada la alta reactividad de los átomos de H y N, se combinan con rapidez a temperaturas elevadas y forman NH3.

Proceso Heber: ¿Cómo?

Proceso Heber: ¿Cómo?

Proceso Heber: ¿Cuándo?

La reacción se da una vez se tienen las moléculas de H2 y N2. Se pasan a un catalizador, que trabaja a 500 °C. De esta manera, las moléculas se unen a la superficie del catalizador, se disocian y los átomos de H y N se unen para formar NH3.

Proceso Heber: ¿Dónde?

La reacción de disociación de las moléculas de H2 y N2 para su posterior unión en moléculas de NH3 se da sobre la superficie del catalizador:

Las moléculas de H2 y N2 se unen a la superficie del catalizador, esta interacción debilita los enlaces covalentes de las moléculas, ocasionando su disociación. Los átomos de H y N, altamente reactivos, se combinan para formar moléculas de aminiaco, que abandonan la superficie del metal catalizador.

Convertidor catalítico: ¿Qué es? (En qué consiste)

Consiste en una malla cerámica de canales longitudinales revestidos de materiales nobles como Platino, Rodio y Paladio situado en el escape, antes del silenciador, en un automóvil.

Un convertidor catalítico eficiente cumple con dos objetivos:

1. Oxida el CO y los hidrocarburos que no fueron quemados hasta CO2 y H2O.

2. Reduce el NO y el NO2 a N2 y O2.

De esta manera, se reduce la contaminación del aire por emisiones del automóvil.

Convertidor catalítico: ¿Qué es? (En qué consiste)

Convertidor catalítico: ¿Por qué?

A elevadas temperaturas, dentro del motor de un automóvil en marcha, el N2 y O2 gaseosos reccionan y forman NO gaseoso.

Cuando es expulsado a la atmósfera, el NO se combina con O2 para formar NO2. El NO2 y otros gases emitidos por los automóviles, como el CO y varios hidrocarburos no quemados, hacen de las emisiones de un automóvil una enorme fuente de contaminación del aire.

La importancia del convertidor catalítico radica en descomponer estos gases dañinos al medio ambiente y liberar en su lugar N2, O2, H2O y CO2.

Convertidor catalítico: ¿Para qué?

El convertidor catalítico fue desarrollado e implementado en el automóvil para oxidar el CO y los hidrocarburos no quemados hasta CO2 y H2O, y para reducir el NO y el NO2 a N2 y O2.

De esta forma, la contaminación al aire por gases de emisión de un automóvil se ve reducida.

Convertidor catalítico: ¿Cómo?

Los gases calientes de emisión, a los que se les inyecta aire, pasan a través de la primer cámara de un convertidor para acelerar la combustión completa de los hidrocarburos y disminuir la emisión de CO.

Sin embargo, dadas las altas temperaturas, aumenta la produciión de NO, por lo que es necesario una segunda cámara que contiene un catalizador distinto (un metal de transición o un óxido de un metal de transición, como el CuO o Cr2O3) que, al trabajar a una más baja temperatura, disocia el NO en N2 y O2 antes de que los gases sean expulsados por el escape.

Convertidor catalítico: ¿Cómo?

Convertidor catalítico: ¿Cómo?

Convertidor catalítico: ¿Cuándo?

El proceso de funcionamiento del convertidor catalítico comienza cuando llegan los gases expulsados por el motor de combustión interna, los cuales son: hidricarburos, CO, NO, NO2.

Finaliza al haber oxidado y reducido estos gases a: CO2, H2O, N2, O2. Estos gases son expulsados por el tubo de escape.

Convertidor catalítico: ¿Dónde?

Luego de expulsar los gases el motor de combustión interna, estos pasan a la primera cámara de un convertidor. Es ahí donde se da la catálisis de aceleración de combustión completa de los hidrocarcuros y se reduce la emisión de CO.

Por las altas temperaturas, se ha producido más NO, por lo que, en una segunda cámara provista con un catalizador distinto, se disocia el NO en N2 y O2.

Finalmente, gases como el H2, O2, N2, H2O y CO2 salen a la atmósfera ppor el tubo de escape del automóvil.

Proceso Ostwald: fabricacion de ácido nítrico.

Consiste en la oxidación catalítica del amoníaco a monóxido de nitrógeno (se usa como catalizador platino con un pequeño porcentaje de paladio o rodio), con una posterior oxidación del mismo a dióxido de nitrógeno para, finalmente, reaccionar con agua, produciendo ácido nítrico. Las tres reacciones especificadas son:

4NH3 + 5O2 –> 4NO + 6H2O Catalizada por platino a 800ºC

2NO + O2 –> 2NO2

3NO2 + H2O –> 2HNO3 + NO

El NO producido en la última reacción se recicla, volviendo a la cámara de reacción para producir NO2 a partir de la segunda reacción.

Proceso Ostwald: fabricacion de ácido nítrico.

Curiosamente, lo que más encarece el proceso de producción de ácido nítrico por medio del método de Ostwald es que una pequeña cantidad del platino utilizado como catalizador se va perdiendo por oxidación, pasando a PtO2. Se necesitan en torno a 50 toneladas anuales de platino para reponer el que se va perdiendo por oxidación.

Síntesis de alcoholes superiores sobre catalizadores tipo

filosilicatos de hierro

Una serie de catalizadores tipo filosilicatos de hierro fueron empleados en la síntesis de alcoholes superiores a partir de la hidrogenación del monóxido de carbono (síntesis tipo Fischer Tropsch). La incorporación del metales al gel de sílice (Aerosil-200 Degussa) se realizó inicialmente disolviendo el Fe(NO3)3.9H2O (JT Baker, 100%) en agua, luego se añaden unas gotas de NH4OH (Riedel De Haën,

25%), generando un hidróxido de hierro tipo coloide que se logra disolver con un ligero exceso de una base. A esta solución se añade gel de sílice hasta formar una suspensión.

El tiempo de envejecimiento se establece entre 2, 4, 8 y 12 h. El agua se elimina por evaporación y los sólidos contienen valores cercanos al 10 % de hierro soportado.

Hidrodesulfuración de dibenzotiofeno en catalizadores de

Mo soportados sobre el material nanoporoso MCM-48

La hidrodesulfuración (HDS) de dibenzotiofeno (DBT) se llevó a cabo en catalizadores de Mo (15 % p/p) soportados sobre el material nanoporoso MCM-48. La incorporación de molibdeno al MCM-48 se realizó siguiendo tres rutas:

1) Por medio de descomposición del hexacarbonilo de molibdeno ((Mo(CO)6), Alfa Products Ventron 99%) y la simultánea hidrosulfuración con azufre elemental, bajo 100 psi de H2 y agitación por un tiempo de 4 h, a temperaturas de trabajo de 150, 200 ó 250 ºC, serie H. Las muestras obtenidas por este método se designaron H-150, H-200 y H250.

2) La segunda ruta de impregnación fue por medio de una impregnación incipiente de MoS2, serie S. Las muestras obtenidas por este método se designaron S-150, S-200 y S250.

3) La tercera ruta fue la impregnación incipiente con solución de heptamolibdato de amonio ((NH4)6Mo7O24) serie Mo7. Las muestras obtenidas por este método se designaron Mo7-150, Mo7-200 y Mo7-250.