Resumen de Activación catalítica de hidrocarburos en presencia de oxígeno: oxidación total vs deshidrogenación oxidativa
La presente tesis doctoral consta de dos partes diferenciadas, la reacción de oxidación total de compuestos orgánicos volátiles (COVs) y la deshidrogenación oxidativa de etano para la obtención de etileno.
Por una parte, se muestra un estudio sobre la síntesis y caracterización de diferentes óxidos de hierro másicos y soportados, para ser empelados como catalizadores en reacciones de oxidación total de COVs. Se han seleccionado dos moléculas modelo de COVs, propano (como modelo de alcanos de cadena corta) y tolueno (como modelo de un compuesto aromático).
Se han empleado catalizadores másicos, α-Fe2O3, que presentan buenas propiedades superficiales y con alta área superficial. Para ello, se han utilizado varios métodos de síntesis entre los que destacan: i) precipitación simple, ii) método nanocasting con KIT-6 como “hard template” para la obtención de un óxido mesoporoso ordenado y iii) precipitación usando ácido oxálico como agente precipitante para la obtención de un óxido mesoporoso no ordenado. Cualquiera de los óxidos de hierro sintetizados mejora en el comportamiento catalítico para la oxidación total de compuestos orgánicos volátiles, respecto de un óxido de hierro (α-Fe2O3) comercial. Se encontró un orden de reactividad diferente entre los distintos óxidos de hierro para cada alimento. El catalizador que presenta mayor reducibilidad (con ácido oxálico) es el más activo para la oxidación total de propano, mientras que para el tolueno la muestra más activa fue el catalizador altamente ordenado de mayor área superficial. Esta diferencia de actividad relativa puede ser debida a que tengan lugar mediante diferentes mecanismos. Adicionalmente, se han planteado diferentes métodos de preparación de catalizadores de óxidos de hierro másicos, por síntesis hidrotermales en condiciones supercríticas y por síntesis solvotermales. Se ha observado que empleando un sencillo método solvotermal se obtienen elevadas velocidades de reacción en la oxidación total de tolueno.
También se han estudiado catalizadores de óxido de hierro soportados con el objetivo de mejorar las propiedades físicas del catalizador y las propiedades catalíticas en la oxidación total. Así, se ha considerado soportar el óxido de hierro sobre arcillas porosas de estructura heterogénea (PCH-Si) y sílice. Se observó que el uso de la arcilla es mucho más eficiente catalíticamente pues mejora la dispersión del hierro.
Además, se ha empleado un residuo obtenido en la purificación de agua para el consumo humano (lodo férrico) como catalizador para la eliminación de propano y tolueno. El lodo férrico presenta una superficie específica relativamente alta, por lo que también se ha empleado como soporte para metales nobles (Pt) siendo mejor que soportes convencionales como la gamma-Al2O3. Se ha mostrado que presenta una doble ventaja ambiental, ya que se revaloriza un residuo como catalizador para la eliminación de contaminantes COVs.
Por otra parte, se ha estudiado el comportamiento catalítico en la deshidrogenación oxidativa selectiva de etano para dar etileno empleando una serie de catalizadores soportados de óxido de níquel sobre diferentes materiales que presentan distintas propiedades de acidez, basicidad y área superficial.
Se han determinado las características que debe presentar un soporte sobre el que depositar partículas de NiO para maximizar la formación de etileno. Se pudo concluir que el óxido de titanio es un excelente soporte para el óxido de níquel. Por ello, se ha considerado conveniente realizar un estudio más detallado sobre catalizadores de NiO soportados sobre diferentes óxidos de titanio. Diferentes catalizadores soportados sobre diferentes óxidos de titanio dan lugar a selectividades altas y similares entre ellos, consiguiéndose el óptimo catalítico empleando diferentes composiciones en cada caso.
Finalmente, se ha realizado un estudio comparativo de la deshidrogenación oxidativa selectiva de etano empleando catalizadores de óxido de níquel interaccionando con óxido de titanio o con óxido de niobio. Se sintetizaron catalizadores por impregnación húmeda (catalizadores soportados) o por evaporación de mezclas de sales (catalizadores promovidos). Los catalizadores con óxido de titanio preparados por ambos métodos así como el catalizador promovido con niobio obtuvieron resultados catalíticos al nivel de los mejores descritos en la bibliografía.
Indicar que, sin llevar a cabo una optimización exhaustiva de las condiciones de reacción, se han obtenido rendimientos a etileno superiores al 40% con los catalizadores más eficientes.
