Resumen de Optimización de sistemas catalíticos de co activos para la síntesis de Fischer-Tropsch: Efecto de la adición de un segundo metal, la estructuración del soporte y el anclaje del metal a la superficie
Francisco Jesus Platero Moreno
La actual situación energética mundial se encuentra en una clara etapa de transición. Actualmente el petróleo sigue siendo la principal fuente de obtención de combustibles y productos químicos de valor añadido. Sin embargo, es un recurso natural limitado, lo que unido a los problemas medioambientales que suscita su explotación y el aumento de su precio en los últimos años, hace que las economías de los diferentes países deban adaptarse al desarrollo de consumos energéticos más diversos, eficientes y verdes. Dentro de este contexto, los principales esfuerzos se centran en el desarrollo de las energías renovables y del H2 como vector energético en el futuro. Sin embargo, el todavía primitivo desarrollo del hidrógeno como fuente de energía y las limitaciones de las energías renovables, hacen necesaria la explotación de otros procesos de producción de combustibles. En este sentido, la producción de combustibles líquidos sintéticos a partir de materias primas carbonosas, denominados como procesos XTL, se presenta como una vía prometedora en la transición energética del petróleo al H2 y las energías renovables. Los procesos XTL, dependiendo de la materia prima utilizada, carbón (CTL, Coal-To-Liquid), gas natural (GTL, Gas-To-Liquid) o biomasa (BTL, Biomass-To-Liquid), agrupan un conjunto de reacciones y operaciones químicas avanzadas, que transforman una fuente de materia prima carbonosa en diferentes tipos de combustibles líquidos y productos químicos de alto valor añadido con interés industrial.1 Estos procesos constan de una primera etapa de gasificación o reformado en la que se convierte el carbón procedente de la materia prima en gas de síntesis (CO + H2). Una vez obtenido el gas se síntesis, la siguiente etapa en el proceso global XTL es la síntesis de Fischer-Tropsch, que se considera la etapa clave,2 y sobre la cual se basa el estudio recogido en la presente Tesis Doctoral. La síntesis de Fischer-Tropsch (FTS) es un proceso industrial en el que se lleva a cabo la conversión del gas síntesis (CO e H2) en hidrocarburos superiores para su uso como combustibles líquidos y productos químicos de valor añadido. Es un proceso complejo en el que se llevan a cabo un conjunto de reacciones en serie y en paralelo. Las principales reacciones que ocurren en FTS son la síntesis de parafinas, olefinas y compuestos oxigenados, aunque también pueden darse reacciones secundarias como la Water-Gas-Shift reaction (WGSR) y la reacción de Boudouard:
Síntesis de parafinas: n CO + (2n + 1) H2 → CnH2n+2 + n H2O Síntesis de olefinas: n CO + 2n H2 → CnH2n + n H2O Síntesis de compuestos oxigenados: n CO + 2n H2 → CnH2n+2O + (n-1) H2O WGSR: CO + H2O ↔ CO2 + H2 Reacción de Boudouard: 2 CO → C + CO2 El complejo entramado de posibles reacciones que tienen lugar en el proceso de Fischer-Tropsch y que dan lugar a una gran variedad de productos, hace que aún no exista un consenso en la comunidad científica con respecto al mecanismo de reacción que tiene lugar. De forma general, el proceso está considerado como una reacción de polimerización que comienza con la adsorción y disociación del CO y el H2 en los centros activos, y se divide en 3 pasos: iniciación, propagación y terminación de cadena con desorción del producto final.3 Además, la distribución de productos sigue un modelo estadístico basado en ecuaciones cinéticas de polimerización, conocido como distribución Anderson-Schul-Flory (ASF), lo que delimita el porcentaje máximo de cada fracción de hidrocarburos que puede obtenerse en función de la probabilidad de crecimiento de cadena (α).4 Por todo ello, la complejidad del diseño de los sistemas catalíticos para la reactividad es muy elevada. Los metales activos en la reacción de Fischer-Tropsch son Co, Fe, Ni y Ru. Sin embargo, el elevado coste del Ru, la elevada selectividad a CH4 del Ni y la gran actividad presentada para la WGSR por el Fe, hacen que el cobalto sea la opción preferida para la producción de combustibles líquidos de alta calidad.5 Los catalizadores de cobalto producen fundamentalmente cadenas largas de alcanos lineales. La fase activa para la hidrogenación de CO en este caso es el cobalto metálico, por lo que se requiere un tratamiento de reducción previo a la reactividad para obtenerla. En la bibliografía se encuentran numerosos estudios de catalizadores basados en Co depositados en soportes tipo zeolitas, soportes basados en carbón, o soportes tipo oxídicos con un área superficial alta, como Al2O3, SiO2 o TiO2. Los esfuerzos realizados por los autores se centran en la comprensión de la interacción metal-soporte, la cual influye en la dispersión y reducibilidad de la fase de cobalto, y de los efectos de la desactivación de los sistemas catalíticos. En este sentido, la elección y el diseño del soporte son fundamental en la búsqueda de la optimización del rendimiento del catalizador. Aunque los materiales utilizados como soportes generalmente se consideran inactivos, afectan a los centros catalíticos activos de diversas formas. Diferentes tipos de soportes poseen diferentes propiedades físico-químicas, texturales y morfológicas, que afectan a la interacción metal-soporte, influyendo así en la dispersión y la reducibilidad de la fase metálica, la resistencia mecánica o la estabilidad térmica del sistema catalítico.6,7 Asimismo, la adición de pequeñas cantidades de un segundo metal que actúa como promotor también influye en las propiedades físico-químicas del sistema catalítico y en sus prestaciones catalíticas en consecuencia.
