Procesos más eficientes en catálisis mediante la síntesis de nuevos recubrimientos y rellenos

Resumen

A medida que las necesidades tecnológicas de la sociedad van aumentando y la disponibilidad de dicha tecnología es cada vez más accesible para la mayoría de la población mundial, los recursos energéticos y materiales deben optimizarse y aprovecharse con los objetivos de generar una mayor cantidad de los productos deseados, minimizando la cantidad de subproductos y etapas, evitando el uso de disolventes contaminantes y siempre teniendo en cuenta el uso del menor consumo energético posible. Ante este marco energético y económico, una importante rama de la química como es la catálisis heterogénea, ha centrado parte de su interés acuñando nuevos términos referidos a este tipo de procesos como “química fina” o “química/catálisis medioambiental”. Dichas áreas científicas constituyen por sí solas un amplio campo de investigación que abarca multitud de procesos. Uno de los problemas más importantes de cara al desarrollo e implementación de procesos químicos eficientes radica en la preparación no sólo de catalizadores que presenten una mayor actividad y selectividad, sino también en el diseño de reactores con arquitecturas novedosas que mejoren la eficiencia global del proceso. Para ello se proponen diferentes alternativas, como son la miniaturización y escalado de los reactores, la estructuración de los catalizadores (desarrollando soportes novedosos) y la mejora de la transferencia de materia y energía a lo largo de todo el proceso. En resumen, se puede afirmar que los temas de investigación que se abordan en esta tesis de investigación se encuentran estrechamente interrelacionados y son de gran interés a nivel medioambiental, energético y aplicado. A continuación se desarrollan con más detalle los temas específicos de este proyecto de investigación. Tal y como señala Volker Hessel en una revisión reciente [1] los reactores químicos de flujo estructurados en la escalas micro- y mili- permiten enfocar la intensificación de los procesos químicos desde una perspectiva más factible ya que por un lado permitirán pasar de procesos discontinuos a continuos y, por otro, presentarán una transferencia de materia y energía optimizadas. A partir del año 2001, las aplicaciones de este tipo de reactores han ido aumentando de forma exponencial debido a la sencilla preparación de los mismos y a la versatilidad que presentan para modificar y adicionar materiales en su interior [2-6]. En el caso de las reacciones catalíticas de sólido-gas, se pueden presentar caminos preferenciales en el interior del microrreactor, produciendo una débil interacción entre los reactivos y el catalizador. Así, con el fin de validar esta hipótesis se ha procedido al desarrollo de recubrimientos y rellenos nanoestructurados en diferentes sistemas micro- y milimétricos para el diseño de nuevos reactores. Para poder optimizar la interacción gas-sólido y así mejorar la eficiencia de la reacción se han planteado dos vías complementarias: maximizar el tiempo de residencia de las especies gaseosas en el interior del reactor con el uso de rellenos de porosidad jerárquica (sílice y alúmina) [7,8] y modificar la superficie de contacto en el caso de soportes monolíticos de cordierita de tipo “panal de abeja” (honeycomb) con la incorporación de películas delgadas y/o rellenos de óxidos inorgánicos sencillos (TiO2 o SiO2) y/o mixtos (TiO2-CeO2 o TiO2-Fe2O3 por ejemplo) [9]. El segundo de los objetivos de este proyecto se centra en la aplicación práctica de los sistemas catalíticos preparados en la primera etapa en reacciones de catálisis heterogénea, concretamente en catálisis medioambiental y química fina. En lo referente a la catálisis medioambiental el proyecto se ha centrado en la reacción de oxidación de monóxido de carbono en microrreactores capilares de sílice. Estos se han probado con dos tipos de modificaciones, recubrimientos de películas delgadas que permitan la modificación superficial y mediante el relleno de los canales. En todos los casos posibles se ha estudiado la adición de pequeñas cargas de nanopartículas metálicas que puedan mejorar el funcionamiento de los catalizadores. En cuanto a la catálisis para química fina, el proyecto ha estudiado la epoxidación de un compuesto modelo como el propileno en fase gas en el mismo tipo de reactores que los mencionados en el caso de la reacción de oxidación de CO con o sin la incorporación de nanopartículas metálicas. Los catalizadores de oro (Au) soportados sobre titania han mostrado una elevada capacidad de producir óxido de propeno mediante este proceso de hidro-epoxidación usando una mezcla de hidrógeno y oxígeno, tal y como demostraron Haruta y colaboradores [10]. Otra alternativa posible que ha mostrado buenos resultados son los catalizadores de zeolitas con estructura tipo MFI con titanio incorporado en la red cristalina [11]. Con todo ello, esta tesis doctoral se ha centrado en la síntesis y el estudio de diferentes materiales que se aplican a la preparación de catalizadores microestructurados. Este trabajo incluye la preparación de rellenos de sílice robustos mediante una metodología nueva. En general los catalizadores están basados en sílice dopados con Fe o Ti y nanopartículas de metal noble cargadas en sílice. Todos estos catalizadores han sido probados en diferentes reacciones catalíticas tales como reacción de epoxidación de propileno en fase gaseosa, generación de H2 en fase líquida y oxidación selectiva de CO para la purificación de corrientes de H2. Esta tesis doctoral incluye la preparación de rellenos de sílice mediante una metodología novedosa, diferentes catalizadores de sílice basados en metal de transición (Fe o Ti) incorporados en la estructura de la sílice y nanopartículas de metal noble. Dichos materiales han sido probados en diferentes reacciones catalíticas de interés. A lo largo de los diferentes estudios presentados en este trabajo, se han podido extraer las siguientes conclusiones separadas en diferentes secciones. Mejora del Relleno de Sílice; Se ha desarrollado una metodología nueva y sencilla (basada en el depósito previo de una película delgada de sílice micro o mesoporosa) para mejorar las propiedades mecánicas de los rellenos de sílice y evitar la contracción de la estructura. Este método puede utilizarse para la preparación futura de microrreactores capilares de sílice fundida. Se ha demostrado que la síntesis es viable para diferentes soportes basados en diferentes materiales (cordierita, vidrio, acero y sílice fundida) y en diversas configuraciones (monolito tipo panal de abeja, tubos, conducciones y capilares) con un amplio intervalo de diámetros internos (0,25 a 7,28 mm) con resultados muy satisfactorios. Se propone que el proceso de formación de los rellenos mediados por la superficie se basa en las reacciones de disolución/precipitación que se producen durante el tratamiento hidrotérmico produciendo el anclaje del relleno de sílice a la película delgada previamente depositada.