Caracterización de catalizadores
Instrumentos de caracterización analítica de materiales catalíticos para usuarios, fabricantes e investigadores
Los catalizadores darán forma al futuro del hidrógeno, el CCUS, los productos químicos sostenibles y la manufactura circular. Escuche a expertos de la industria, el ámbito académico y los organismos de normalización hablar sobre lo que viene.. Explore el futuro de la catálisis
Explore el futuro de la catálisisInstrumentos de caracterización analítica de materiales catalíticos para usuarios, fabricantes e investigadores
De acuerdo con los cálculos, el 90 % de los productos químicos producidos de forma comercial incluyen catalizadores en alguna etapa de su fabricación. Se estima que la demanda de catalizadores es de aproximadamente unos treinta mil millones de dólares, y se espera que crezca durante la próxima década en la medida que la demanda de sustancias químicas, polímeros y petroquímicos aumenta, a la vez que lo hace la necesidad de reducir los costos del proceso, el uso de la energía y las emisiones.
Sin embargo, no solo es la producción química la que impulsará la necesidad de desarrollar mejores catalizadores. Las demandas ambientales también están impulsando la necesidad no solo de energía más limpia, sino también de la utilización de materiales de desecho como polímeros y CO2, que a su vez requerirán el desarrollo de nuevos procesos y materiales catalíticos. A continuación, se exhiben algunos ejemplos:
Estos requisitos se encuentran entre los principales requisitos existentes, tales como la optimización y la producción de convertidores catalíticos para el sector automotor y de catalizadores más eficientes para el craqueo catalítico fluidizado (FCC) en la industria petroquímica.
La caracterización es fundamental para el diseño y el desarrollo de catalizadores novedosos, pero también para el desarrollo y la optimización de procesos, lo que incluye la ampliación y la solución de problemas. Por ejemplo, la mayoría de los catalizadores heterogéneos constan de un metal u óxido de metal activo catalíticamente y que está ubicado en la superficie de un soporte de óxido de metal; por lo tanto, es importante optimizar la química estructural y superficial a fin de brindar la selectividad y reactividad adecuadas para el proceso de interés. Otras características, como el tamaño de las partículas, su porosidad y el área de la superficie, también son importantes, por ejemplo, para optimizar la difusión y la adsorción.
Malvern Panalytical tiene una amplia gama de soluciones complementarias para el análisis físico, estructural y elemental de los materiales catalizadores, esto incluye el tamaño de las partículas, la forma de las partículas, el potencial zeta, la composición elemental y la estructura cristalina:
La fluorescencia de rayos X (XRF) se utiliza ampliamente para analizar la composición elemental de una gama de catalizadores debido a su alta precisión y capacidad de reproducción. Entre los ejemplos se incluyen los siguientes: Pt, Pd y Rh en los convertidores catalíticos; Al, Ni, V, TI, Fe y S en procesos catalíticos para el craqueo catalítico fluidizado (FCC); y relaciones de Si/Al en zeolitas. La XRF también se puede utilizar para detectar la presencia y la concentración de venenos catalíticos que causan la desactivación química, incluidos el Cl, el S, el Sn y el Pb. El análisis de XRF puede ahorrar mucho tiempo y dinero en comparación con las técnicas alternativas, y Malvern Panalytical ofrece tres soluciones principales: los sistemas de sobremesa EDXRF, como Epsilon 4; los sistemas de piso WDXRF, como Zetium; y las soluciones en línea como Epsilon XFlow. Malvern Panalytical también proporciona varias soluciones de preparación de muestra para XRF, ICP y AA a través de su cartera de productos de Claisse.
La difracción de rayos X (XRD, del inglés X-ray diffraction) es una herramienta fundamental para el diseño, el desarrollo y la producción de catalizadores, ya que puede brindar información acerca de la estructura principal y la composición de los materiales catalizadores sólidos, como los óxidos metálicos y las zeolitas. Los sistemas de XRD se utilizan con frecuencia para monitorear la producción de catalizadores a través del craqueo catalítico fluidizado (FCC), en particular, durante el análisis del tamaño de las celdas de una unidad y el análisis de la cristalinidad. La XRD también se puede utilizar para determinar el tamaño de los cristalitos, ya sea con el análisis de los anchos de los puntos máximos de una medición típica de difracción o con el uso de la dispersión de rayos X de ángulo reducido (SAXS, del inglés small angle X-ray scattering). También se pueden estudiar materiales no cristalinos por medio del análisis de distribución de pares (PDF, del inglés pair distribution function analysis). Malvern Panalytical ofrece dos soluciones de XRD principales: el difractómetro de sobremesa Aeris para el análisis de rutina y el difractómetro multiuso Empyrean para un análisis estructural más detallado.
La difracción láser es una técnica de dimensionamiento de partículas ampliamente utilizada para los materiales que varían en tamaño entre cientos de nanómetros y varios milímetros. Esta se puede aplicar a dispersiones húmedas o secas en el laboratorio o en una línea de proceso. Para aplicaciones de catalizadores, los datos sobre el tamaño de la partícula que se generan a través de la difracción láser se pueden utilizar para calcular un área de superficie específica (SSA, del inglés specific surface area). Para ello, se ha de convertir la distribución de volumen informada en una distribución de área de superficie. Las titulaciones de presión también pueden ayudar a comprender el riesgo de desgaste, un factor importante para predecir la vida útil de los catalizadores en reactores de lecho fluidizado. El Mastersizer de Malvern Panalytical es la herramienta de medición de partículas más utilizada para el análisis de catalizador en un entorno de laboratorio, mientras que Insitec se puede utilizar para el análisis en línea en un entorno de producción.
Además de las técnicas mencionadas con anterioridad, Malvern Panalytical ofrece varias otras soluciones para el análisis de catalizadores, que incluyen el Zetasizer, que se utiliza para evaluar el tamaño y la estabilidad de dispersión de las partículas; y el Morphologi 4, que utiliza el análisis de imágenes para determinar la distribución del tamaño y la forma de las partículas. Morphologi 4 también está disponible con un espectrómetro Raman integrado, que proporciona información química de una partícula específica.
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.
