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

A medida que las necesidades tecnologicas de la sociedad van aumentando y la disponibilidad de dicha tecnologia es cada vez mas accesible para la mayoria de la poblacion mundial, los recursos energeticos 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 energetico posible. Ante este marco energetico y economico, una importante rama de la quimica como es la catalisis heterogenea, ha centrado parte de su interes acunando nuevos terminos referidos a este tipo de procesos como “quimica fina” o “quimica/catalisis medioambiental”. Dichas areas cientificas constituyen por si solas un amplio campo de investigacion que abarca multitud de procesos. Uno de los problemas mas importantes de cara al desarrollo e implementacion de procesos quimicos eficientes radica en la preparacion no solo de catalizadores que presenten una mayor actividad y selectividad, sino tambien en el diseno de reactores con arquitecturas novedosas que mejoren la eficiencia global del proceso. Para ello se proponen diferentes alternativas, como son la miniaturizacion y escalado de los reactores, la estructuracion de los catalizadores (desarrollando soportes novedosos) y la mejora de la transferencia de materia y energia a lo largo de todo el proceso. En resumen, se puede afirmar que los temas de investigacion que se abordan en esta tesis de investigacion se encuentran estrechamente interrelacionados y son de gran interes a nivel medioambiental, energetico y aplicado. A continuacion se desarrollan con mas detalle los temas especificos de este proyecto de investigacion. Tal y como senala Volker Hessel en una revision reciente [1] los reactores quimicos de flujo estructurados en la escalas micro- y mili- permiten enfocar la intensificacion de los procesos quimicos desde una perspectiva mas factible ya que por un lado permitiran pasar de procesos discontinuos a continuos y, por otro, presentaran una transferencia de materia y energia optimizadas. A partir del ano 2001, las aplicaciones de este tipo de reactores han ido aumentando de forma exponencial debido a la sencilla preparacion 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 cataliticas de solido-gas, se pueden presentar caminos preferenciales en el interior del microrreactor, produciendo una debil interaccion entre los reactivos y el catalizador. Asi, con el fin de validar esta hipotesis se ha procedido al desarrollo de recubrimientos y rellenos nanoestructurados en diferentes sistemas micro- y milimetricos para el diseno de nuevos reactores. Para poder optimizar la interaccion gas-solido y asi mejorar la eficiencia de la reaccion se han planteado dos vias complementarias: maximizar el tiempo de residencia de las especies gaseosas en el interior del reactor con el uso de rellenos de porosidad jerarquica (silice y alumina) [7,8] y modificar la superficie de contacto en el caso de soportes monoliticos de cordierita de tipo “panal de abeja” (honeycomb) con la incorporacion de peliculas delgadas y/o rellenos de oxidos inorganicos 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 aplicacion practica de los sistemas cataliticos preparados en la primera etapa en reacciones de catalisis heterogenea, concretamente en catalisis medioambiental y quimica fina. En lo referente a la catalisis medioambiental el proyecto se ha centrado en la reaccion de oxidacion de monoxido de carbono en microrreactores capilares de silice. Estos se han probado con dos tipos de modificaciones, recubrimientos de peliculas delgadas que permitan la modificacion superficial y mediante el relleno de los canales. En todos los casos posibles se ha estudiado la adicion de pequenas cargas de nanoparticulas metalicas que puedan mejorar el funcionamiento de los catalizadores. En cuanto a la catalisis para quimica fina, el proyecto ha estudiado la epoxidacion de un compuesto modelo como el propileno en fase gas en el mismo tipo de reactores que los mencionados en el caso de la reaccion de oxidacion de CO con o sin la incorporacion de nanoparticulas metalicas. Los catalizadores de oro (Au) soportados sobre titania han mostrado una elevada capacidad de producir oxido de propeno mediante este proceso de hidro-epoxidacion usando una mezcla de hidrogeno y oxigeno, 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 sintesis y el estudio de diferentes materiales que se aplican a la preparacion de catalizadores microestructurados. Este trabajo incluye la preparacion de rellenos de silice robustos mediante una metodologia nueva. En general los catalizadores estan basados en silice dopados con Fe o Ti y nanoparticulas de metal noble cargadas en silice. Todos estos catalizadores han sido probados en diferentes reacciones cataliticas tales como reaccion de epoxidacion de propileno en fase gaseosa, generacion de H2 en fase liquida y oxidacion selectiva de CO para la purificacion de corrientes de H2. Esta tesis doctoral incluye la preparacion de rellenos de silice mediante una metodologia novedosa, diferentes catalizadores de silice basados en metal de transicion (Fe o Ti) incorporados en la estructura de la silice y nanoparticulas de metal noble. Dichos materiales han sido probados en diferentes reacciones cataliticas de interes. 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 Silice; Se ha desarrollado una metodologia nueva y sencilla (basada en el deposito previo de una pelicula delgada de silice micro o mesoporosa) para mejorar las propiedades mecanicas de los rellenos de silice y evitar la contraccion de la estructura. Este metodo puede utilizarse para la preparacion futura de microrreactores capilares de silice fundida. Se ha demostrado que la sintesis es viable para diferentes soportes basados en diferentes materiales (cordierita, vidrio, acero y silice fundida) y en diversas configuraciones (monolito tipo panal de abeja, tubos, conducciones y capilares) con un amplio intervalo de diametros internos (0,25 a 7,28 mm) con resultados muy satisfactorios. Se propone que el proceso de formacion de los rellenos mediados por la superficie se basa en las reacciones de disolucion/precipitacion que se producen durante el tratamiento hidrotermico produciendo el anclaje del relleno de silice a la pelicula delgada previamente depositada.