Caracterização do catalisador
Instrumentos analíticos de caracterização de material catalítico para usuários, fabricantes e pesquisadores
Os catalisadores moldarão o futuro do hidrogênio, do CCUS, dos produtos químicos sustentáveis e da manufatura circular. Ouça especialistas da indústria, da academia e de órgãos de normalização discutirem os próximos passos.. Explore o futuro da catálise
Explore o futuro da catáliseInstrumentos analíticos de caracterização de material catalítico para usuários, fabricantes e pesquisadores
De acordo com estimativas, 90% de todos os produtos químicos produzidos comercialmente envolvem catalisadores em algum estágio da fabricação. Estima-sCominuição e que a demanda por catalisadores seja de cerca de 30 bilhões de dólares, e espera-se que cresça durante a próxima década conforme aumentar a demanda de produtos químicos, polímeros e petroquímicos, juntamente com a crescente necessidade de reduzir os custos de processo, a utilização de energia e as emissões.
No entanto, não é apenas a produção química que impulsionará a necessidade de catalisadores melhores. As exigências ambientais também estão motivando a necessidade não só de energia mais limpa, como também de utilização de materiais residuais, como polímeros e CO2, o que, por sua vez, exigirá o desenvolvimento de novos processos e materiais catalisadores. Os exemplos incluem:
Esses requisitos estão em cima dos requisitos existentes, como a otimização e a produção de conversores catalisadores para o setor de automóveis e catalisadores de craqueamento catalítico de fluidos mais eficientes (FCC) para a indústria petroquímica.
A caracterização é essencial tanto para o projeto como para o desenvolvimento de novos catalisadores, assim como para o desenvolvimento e otimização de processos, incluindo o aumento de escala e a resolução de problemas. A maioria dos catalisadores heterogêneos, por exemplo, consiste de um metal ou óxido de metal catalisado, localizado na superfície de um suporte de óxido de metal, de modo que é importante otimizar a estrutura e a química da superfície para proporcionar a seletividade e reatividade adequadas ao processo de interesse. Outras características, como o tamanho das partículas, a porosidade e a área da superfície, também são importantes para otimizar a difusão e a adsorção, por exemplo.
A Malvern Panalytical tem diversas soluções complementares para a análise física, estrutural e elementar de materiais catalisadores, incluindo o tamanho das partículas, a forma das partículas, o potencial Zeta, a composição elementar e a estrutura de cristais:
A fluorescência de raios X (XRF) é amplamente utilizada para analisar a composição elementar de diversos catalisadores devido à sua elevada precisão e reprodutibilidade. Os exemplos incluem Pt, Pd e Rh em catalisadores; Al, Ni, V, Ti, Fe e S em processos catalíticos de FCC e relações Si/Al em zeólitos. O XRF também pode ser utilizado para detectar a presença e a concentração de venenos catalizadores que provocam a desativação química, incluindo Cl, S, Sn e Pb. A análise XRF pode economizar muito tempo e dinheiro em comparação com técnicas alternativas, e a Malvern Panalytical fornece três soluções principais: sistemas de bancada EDXRF, como o Epsilon 4, sistemas WDXRF de chão, como o Zetium, e soluções on-line, como o Epsilon XFlow. A Malvern Panalytical também fornece várias soluções de preparação da amostra para XRF, ICP e AA pelo portfólio Claisse.
A difração de raios X (XRD) é uma ferramenta fundamental para projeto, desenvolvimento e produção de catalisadores, pois pode fornecer informações sobre a estrutura a granel e a composição de materiais catalisadores sólidos, como óxidos de metal e zeólitos. Os sistemas XRD são utilizados rotineiramente para monitorar a produção de catalisadores FCC, em particular analisando o tamanho da célula unitária e a cristalinidade. O XRD também pode ser utilizado para determinar o tamanho de cristalização pela análise das larguras de pico de uma medição de difração típica ou pela dispersão de raios X em pequeno ângulo (SAXS). Materiais não cristalinos também podem ser estudados utilizando a análise de distribuição de pares (PDF). A Malvern Panalytical fornece duas soluções XRD principais, o difratômetro de bancada Aeris para análise de rotina e o difratômetro multiuso Empyrean para uma análise estrutural mais detalhada.
A difração laser é uma técnica de dimensionamento de partículas amplamente utilizada para materiais que variam entre centenas de nanômetros a vários milímetros e pode ser aplicada a dispersões úmidas ou secas no laboratório ou em uma linha de processo. Para aplicações do catalisador, os dados de tamanho das partículas gerados pela difração laser podem ser utilizados para calcular uma área de superfície específica (SSA) pela conversão da distribuição do volume reportado em uma distribuição de área de superfície. As titulações de pressão também podem ajudar a compreender o risco de atrito, um fator importante para predizer a vida dos catalisadores em reatores de leito fluidificado. O Mastersizer da Malvern Panalytical é a ferramenta de dimensionamento de partículas mais utilizada para a análise de catalisadores em um ambiente de laboratório, enquanto a Insitec pode ser utilizada para a análise em linha em um ambiente de produção.
Além das técnicas acima mencionadas, a Malvern Panalytical oferece várias outras soluções para a análise de catalisadores, incluindo a Zetasizer, que é utilizada para avaliar o tamanho e a estabilidade das dispersões de partículas, e a Morphologi 4, que utiliza a análise de imagens para determinar a forma e a distribuição de tamanho das partículas. O Morphologi 4 também está disponível com um espectrômetro Raman integrado, que fornece informações químicas específicas sobre partículas.
Gas porosimetry enables the measurement of BET surface area and micro/meso pore size distributions (0.35 nm ≤ 50 nm). Mercury porosimetry provides data in the meso/macropore range (3.6 nm ≤ 1,100 µm). This data may be used together in a unified method for pore volume to report micro, meso and macro areas and volumes. The porous properties of the catalyst support impact metal loading/dispersion and diffusion of both reactant and product molecules in use. Initial and in-use characterisation are important fundamental properties that influence design, chemistry and the time for which they can be used if sintering or blockages occur in the process.
Micromeritics range of gas porosimeters includes multi-station and on-demand analysers in the form of the TriStar, ASAP 2460 and ASAP 2425 and the 3Flex high-resolution micropore analyser delivers exceptional low-pressure data, needed for accurate micropore analysis. Micromeritics AutoPore technology provides mercury porosimetry, studying larger meso/macro pore sizes and porosity, important for understanding reactant and product transfer.
Use of static and dynamic chemisorption experimentation is routine in the catalyst industry. These techniques are used to determine metal surface area, dispersion, and crystallite size. Dynamic chemisorption can also be used to study activation through temperature-programmed reduction (TPR), the range and strength of chemisorbed species through temperature-programmed desorption (TPD), and surface chemistry through temperature-programmed surface reactions (TPSR).
Temperature programmed oxidation (TPO) is another important technique that can be used to study samples that have deactivated due to carbon deposition. In-situ dynamic analysis is a further option where the analysis system can be connected across the reactor, enabling the catalysts to be characterised in-situ at the start and end of an experimental cycle.
Micromeritics AutoChem and ChemiSorb Auto offer dynamic chemisorption routines whilst the 3Flex can be used for both static and dynamic chemisorption. Our In-situ Catalysts Characterisation System (ICCS) connects directly across the reactor and enables in-situ dynamic chemisorption experimentation.
Micromeritics offers two pycnometry technologies: the AccuPyc and GeoPyc. The AccuPyc is a gas pycnometer that determines true density, a useful QC metric since whether a single element or mixture of materials in known proportions are measured, true density can be accurately defined and monitored. The AccuPyc is fast, easy and accurate and can differentiate density to the fourth decimal place. The GeoPyc offers both envelope and bulk density measurement. Envelope density can be carried out in samples such catalyst extrudates and together with the AccuPyc true density allows sample porosity to be determined.
Bulk density is useful metric for particulate materials and be determined with differing consolidation force. Bulk density is influenced by a number of parameters but principally size and shape distributions which can be investigated with our Mastersizer and Morphology products.
X-ray fluorescence (XRF) is widely used for analyzing the elemental composition of a range of catalysts due to its high precision and reproducibility. Examples include Pt, Pd, and Rh in catalytic converters; Al, Ni, V, Ti, Fe, and S in FCC catalytic processes; and Si/Al ratios in zeolites. XRF can also be used to detect the presence and concentration of catalyst poisons that cause chemical deactivation, including Cl, S, Sn and Pb.
XRF analysis can save a lot of time and money compared with alternative techniques, and Malvern Panalytical provides three main solutions: EDXRF benchtop systems such as Epsilon 4, floor-standing WDXRF systems such as Zetium, and on-line solutions such as Epsilon XFlow.
Malvern Panalytical also provides several sample preparation solutions for XRF, ICP, and AA through its Claisse portfolio.
X-ray diffraction (XRD) is a fundamental tool for the design, development and production of catalysts since it can provide information on the bulk structure and composition of solid catalyst materials such as metal oxides and Zeolites. XRD systems are routinely used for monitoring the production of FCC catalysts, in particular analysing unit cell size and crystallinity.
XRD can also be used to determine crystallite size either by analysing peak widths from a typical diffraction measurement or by using Small Angle X-ray Scattering (SAXS). Non-crystalline materials can also be studied using Pair Distribution Analysis (PDF). Malvern Panalytical provides two main XRD solutions: Aeris compact XRD diffractometer for routine analysis, and the Empyrean multi-purpose diffractometer for more detailed structural analysis.
Laser diffraction is a widely used particle sizing technique for materials ranging in size between hundreds of nanometers and several millimeters, and can be applied to wet or dry dispersions in the laboratory or on a process line. For catalyst applications, the particle size data generated using laser diffraction can be used to calculate a specific surface area (SSA) by converting the reported volume distribution into a surface area distribution.
Pressure titrations can also help to understand the risk of attrition, an important factor for predicting the life of catalysts in fluidized bed reactors. Malvern Panalytical’s Mastersizer is the most widely used particle sizing tool for catalyst analysis in a laboratory setting, while Insitec can be used for on-line analysis in a production environment.
Catalyst characterisation is only half of the story! Having produced a catalyst, it then needs to be evaluated for performance. This is where our PID Flow Reactor and Pilot Plant technologies can be used to perform the chemical reactions of interest over time. These technologies allow for the study of activation, feed composition and rate, temperature and pressure. Our PID reactor technology is highly customisable and features patented technologies for pressure control, solids feeding and gas/liquid or gas/liquid/liquid separation in near real time. These units can also interface with other technologies such as the ICCS, mass spectrometers and GC for the analysis of the product stream.
We have, over many years, produced units for use in gasification, pyrolysis, Fischer-Tropsch, ammonia, pressure/temperature swing adsorption processes as well as photocatalysis. Safety is key here, and our reactor technologies offer comprehensive safety functions, including the ability to interface with central laboratory alarm systems.
In addition to the techniques mentioned above, Malvern Panalytical offers several other solutions for catalyst analysis, including the Zetasizer, which is used to evaluate the size and stability of particulate dispersions, and the Morphologi 4, which uses image analysis to determine particle shape and size distribution. The Morphologi 4 is also available with an integrated Raman spectrometer, which provides particle-specific chemical information.
