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foton UV
λ > 348 nm
O2
O2
-
Cr(VI)
Cr(III)
H2O
orgánicos
CO2 + H2O
H+
+ [HO]·
banda de
valencia
banda de
conducción
Fotocatálisis sobre TiO2
Catalizadores: Contaminación
ambiental
M. C. Manuel Román Aguirre](https://image.slidesharecdn.com/catlisisheterognea-130503123312-phpapp02/85/Catalisis-heterogenea-49-320.jpg)
Catálisis heterogénea
- 1. Catálisis Heterogénea M.C. Manuel Román Aguirre
- 2. Negocio$$$$ • En México, en la década pasada tan solo la industria petroquímica consumía mas de: 10, 000 ton/año de catalizadores equivalente a mas de • US$ 300,000,000.00 •S. Fuentes. Appl. Catal. A. general, 142 (1996) 179-181 •Downstreamtoday.com M. C. Manuel Román Aguirre
- 3. Vida cotidiana El 80 % de los productos químicos requiere al menos un proceso catalítico, es decir, al menos un catalizador M. C. Manuel Román Aguirre
- 4. Catalizador • “Una entidad que cambia la velocidad de una reacción química tomando parte íntimamente en ella pero sin llegar a ser un producto” • J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976 M. C. Manuel Román Aguirre
- 5. Reacción catalizada H3C O + H+ H3C O+H H H C+ H3C + H2O H3C H+ + H3C OH + H2O CH3 M. C. Manuel Román Aguirre
- 6. Catalizador Heterogéneo • Es un catalizador que no se encuentra en la misma fase que el medio de reacción. Por ejemplo: Un catalizador sólido en un sistema gaseoso M. C. Manuel Román Aguirre
- 7. Catálisis heterogénea Catalizador sólido C O C O N O N O 2CO + 2NO 2CO2 + N2 M. C. Manuel Román Aguirre
- 8. La vida diaria C O C O N O N O M. C. Manuel Román Aguirre
- 9. Fisicoquímica • Fenómenos de adsorción y desorción • Formación de complejos intermedios • Energías de activación • Cinética M. C. Manuel Román Aguirre
- 10. Fisicoquímica Langmuir: Premio Nobel de Quimica 1932 M. C. Manuel Román Aguirre
- 11. Fisicoquimica 1. Difusión de reactivos desde la masa de fluido a la superficie del catalizador 2. Difusión de reactivos a través de los poros del catalizador 3. Adsorcion de los reactivos sobre la superficie del catalizador 4. Transformación química de las especies adsorbidas 5. Desorción de los productos 6. Difusión de los productos a través de los poros 7. Difusión de los productos desde la superficie del catalizador M. C. Manuel Román Aguirre
- 12. Fisicoquímica: Adsorción, reacción y desorción C2H2 + H2 C2H6 Ni Adsorción de los reactivos a la superficie del catalizador Formación de complejos intermedios (ruptura y formación de enlaces) desorción de los reactivos de la superficie del catalizador Ni M. C. Manuel Román Aguirre
- 13. Fisicoquímica: energía de activación E Ea = EI - ER ER EP EI ∆HR = Ep- ER Ea = Energía de activación ∆HR = Calor de reacción C2H2 + H2 C2H6 M. C. Manuel Román Aguirre
- 14. E Fisicoquímica: energía de activación M. C. Manuel Román Aguirre C2H2 + H2 C2H6 Ni
- 15. E M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: energía de activación El catalizador, disminuye la barrera de energía que deben vencer los reactivos para llegar a productos
- 16. • Velocidad controlada por la difusión (que tan rápido difunden los reactivos a la superficie del catalizador o los productos hacia el flujo de reactivos)) • Velocidad controlada por la adsorción-desorción (que tan rápido se adsorben los reactivos a la superficie o que tan rápido se desorden los productos de la superficie) Velocidad controlada por la reacción (que tan rápido se consumen los reactivos y se forman los productos) M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética
- 17. • La velocidad global del proceso catalítico está dominada por el fenómeno mas lento M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética
- 18. Velocidad de reacción Velocidad de difusión T Velocidad Velocidad real M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética
- 19. v = kgA a(pAg-pAi ) M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética v = Velocidad de difusión kgA = coeficiente de difusión a = área superficial del catalizador pAg = presión parcial de A en el flujo de gas pAi = presión parcial de A en la superficie del catalizador
- 20. A + l Al M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética v = velocidad de adsorción K= constante de equilibrio L = concentración total de sitios activos por unidad de masa CAl = Concentración de la especie Al Cl = concentración de sitios activos libres pAi = presión parcial de A en la superficie del catalizador K = CAl Cl pA k k’ v = k Cl pA – k’CAl
- 21. Al + Bl Cl + Dl M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética v = velocidad de reaccion de las especies adsorbidas K= constante de equilibrio Ci = concentración de la especie i k y k’Al = Constantes de velocidad K = CCl k k’ v = k CAl Cbl – k’CCl CDl CDl CAl CBl
- 22. M. C. Manuel Román Aguirre Fisicoquímica: Cinética
- 23. Características de interés en un catalizador sólido • Área superficial • Diámetro de poro • Número de sitios activos • Propiedades mecánicas • Estabilidad térmica y química • ACTIVIDAD • COSTO M. C. Manuel Román Aguirre
- 24. Superficie M. C. Manuel Román Aguirre El área superficial aumenta con la porosidad
- 25. Superficie M. C. Manuel Román Aguirre El área superficial aumenta con la disminución del tamaño de partícula.
- 26. Diámetro de poro El diámetro de poro debe ser suficientemente grande para que los reactivos puedan entrar e interaccionar con la superficie M. C. Manuel Román Aguirre
- 27. Superficie M. C. Manuel Román Aguirre Soporte Área superficial m2 /g Diámetro de poro (Å) MCM-41 (SiO2) 1000-1500 15-40 Sílice nanométrica 200- 400 NA Carbón activado 2000 a 3000 8
- 28. Sitios activos M. C. Manuel Román Aguirre Flujo de reactivos Superficie del catalizador Sitios activos
- 29. Sitios activos M. C. Manuel Román Aguirre Flujo de reactivos Superficie del catalizador Sitios activos
- 30. Estabilidad térmica El catalizador, ya sea en su fase activa o en el soporte, no debe degradarse, colapsar, o cambiar de fase o estructura a la temperatura típica de reacción M. C. Manuel Román Aguirre
- 31. Estabilidad química El catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.) M. C. Manuel Román Aguirre
- 32. Estabilidad química El catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.) M. C. Manuel Román Aguirre
- 33. Estabilidad química El catalizador, no debe deteriorarse con el medio reaccionante (arrastrarse en la reaccion, contaminarse (envenenarse), cambiar su composicion quimica, etc.) M. C. Manuel Román Aguirre
- 34. Actividad, selectividad y estabilidad cantidad de reactivo convertido (unidad de tiempo)·(cantidad de catalizador) Actividad: es una medida de la velocidad de la reacción en relación al catalizador utilizado: M. C. Manuel Román Aguirre
- 35. Selectividad: es el cociente entre los moles de producto deseado obtenidos y los moles de reactivo consumidos Actividad, selectividad y estabilidad M. C. Manuel Román Aguirre A + B C A + B D A: REACTIVO LIMITANTE C: PRODUCTO DESEADO NA0: MOLES INICIALES DE A NA: MOLES REMANENTES DE A NC: MOLES PRODUCIDAS DE C S = NC NA0-NA
- 36. Estabilidad: es la medida de la capacidad de un catalizador para convertir reactivos en productos durante su “tiempo de vida”: cantidad de reactivo convertido cantidad de catalizador Actividad, selectividad y estabilidad M. C. Manuel Román Aguirre
- 37. Ventajas y desventajas de la catálisis heterogénea Cat.Homogénea Cat. Heterogénea Condiciones de reacción Suaves Severas Separación de productos y cat. Difícil Fácil Recuperación del catalizador Caro No Requiere Estabilidad térmica catalizador Baja Alta Tiempo de vida del catalizador Variable Alto Actividad Alta Variable Selectividad Alta Media-baja Sensibilidad al envenenamiento Baja Alta Determinación de propiedades estéricas y electrónicas del catalizador Viable Muy Difícil Determinación del mecanismo Frecuente Muy Difícil Problemas de difusión Bajo Importantes M. C. Manuel Román Aguirre
- 38. Clasificación de los catalizadores heterogéneos Tipo de fase activa Procesos industriales Ejemplos Metales Hidrogenación, deshidrogenacion, combustión total, metanación, oxidación Ni, Pd, Pt, Ag Óxidos metálicos semiconductores Oxidación, deshidrogenación, hidrodealquilación, desproporción de olefinas, polimerización, hidrogenación Cr2O3, V2O5, MoO3 Sales metálicas Hidrodesulfuración, oxicloración CoS, NIS, CuCl2 Óxidos metálicos aisladores (ácidos y bases) Isomerización, deshidratación, desintegración catalítica, alquilación, hidratación Al2O3, SiO2- Al2O3, MgO Bifuncionales Reformación Pt/Al2O3 M. C. Manuel Román Aguirre •J. Blanco, R. Linarte, Catálisis: fundamentos y aplicaciones industriales. 1ra Ed. Trillas, México, 1976
- 39. CRUD O DESTILACION ATMOSFERICA DESTILACION AL VACIO COQUIZACION HIDROTRATAMIENTO TAME MTBE FCC RECUPERACION Y ENDULZAMIENTO DE GAS SATURADO REFORMACION DE GAS RECUPERACION DE AZUFRE REFORMACION C5/C6 ISOMERIZACION ENDULZ. Y RECUP. DE LIGEROS DE GAS NO SATURADO ALQUILACION C3’s - C4’s n C4 ISOMERIZACION C3/C4 A LPG H2 AZUFRE H2S H2 GASOLINA DIESEL GAS COMBUSTIBLE LPG C3 = nC4 H2 COMBUSTOLEO ACL ACEITE DECANTADO METANOL DESTILADOS COQUE C5=‘s C4=‘s H2S H2 Catalizadores en la industria química (petroquímica básica) M. C. Manuel Román Aguirre
- 40. Catalizadores en la industria química (petroquímica básica) M. C. Manuel Román Aguirre
- 41. Catalizadores en la industria química (agricultura) Proceso de producción de amoniaco (NH3) M. C. Manuel Román Aguirre
- 42. Catalizadores en la industria química (agricultura) Planta de producción de amoniaco (NH3) M. C. Manuel Román Aguirre
- 43. COOH CH3 i Pr Ibuprofen 8000 Tm/año - H2O CN CH3 i Pr H2O - NH3 HC CH3 i Pr NOH CHO CH3 i Pr NH2OH CH3 i Pr O CO2Et (CH3CO)2O AlCl3 O CH3 i Pr ClCH2CO2Et NaEtO i Pr - H2O NaEtO/EtOH HCl/H2O - HCOOEt - NaCl - NaCl - CH3COOH Ruta Boots O CH3 i Pr (CH3CO)2O HF H2 Pd/C CH3 i Pr OH CO PdCl2(PPh3)2 HCl Ruta Hoescht Catalizadores en la industria química (fármacos) M. C. Manuel Román Aguirre
- 44. Catalizadores en energías alternativas (Celdas de combustible) M. C. Manuel Román Aguirre
- 45. CH4 + H2O CO + 3H2 CO + H2O CO2 + H2 CnHm + n H2O nCO + (n + m/2) H2 Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno) M. C. Manuel Román Aguirre
- 46. Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno) M. C. Manuel Román Aguirre
- 47. Catalizadores en energías alternativas (producción de hidrógeno) M. C. Manuel Román Aguirre
- 48. Catalizadores en energías alternativas M. C. Manuel Román Aguirre Proyecto CUTE (Clean Urban Tranport for Europe)
- 49. Eg foton UV λ > 348 nm O2 O2 - Cr(VI) Cr(III) H2O orgánicos CO2 + H2O H+ + [HO]· banda de valencia banda de conducción Fotocatálisis sobre TiO2 Catalizadores: Contaminación ambiental M. C. Manuel Román Aguirre
- 50. Catálisis: Investigación 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 #deArticulos 1950 1974 1980 1988 1993 1997 2001 Año M. C. Manuel Román Aguirre
- 51. Catálisis: Investigación Lineas de investigacion en CIMAV • Materiales catalíticos nanoestructurados • Catalizadores para celdas de combustible • Producción de hidrogeno • Fotocatálisis (control de contaminantes) • Petroquímica (desulfuración, crackeo) • Química fina (obtención de materiales para la industria farmacéutica y cosmética)
- 52. Catálisis: Investigación Buscando solución a problemas de: • Contaminación ambiental • Fuentes alternas de energía • Mejora en el desempeño de procesos petroquímicos • Aprovechamiento de recursos regionales