Catalizadores de carbones

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR
de Ciudad Hidalgo
TIPOS DE CATALIZADORES
MATERIA: SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NANOCATALIZADORES
INAN. ANA KAREN ALCANTARA TELLEZ
PRESENTA:
SOFÍA NAVA CORONEL
CARRERA:
INGENIERÍA EN NANOTECNOLOGÍA
GRUPO: NANO8
CIUDAD HIDALGO, MICHOACÁN A 2 DE ABRIL DEL 2017
Tabla de contenido
CATALIZADORES DE CARBONES	3
APLICACIONES	5
CATALIZADORES DE HETEROPOLIÁCIDOS	7
CATALIZADORES DE ZEOLITAS	9
ESTRUCTURA	9
PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LAS ZEOLITAS	11
BACISIDAD INTRÍNSECA	14
COMPOSICIÓN QUÍMICA	15
Referencias	16
CATALIZADORES DE CARBONES 
El carbón activado (CA) es una sustancia de amplio uso en la industria debido a que es un material con excelentes propiedades adsorbentes. Este material se caracteriza por poseer una alta superficie interna, variedad de grupos funcionales y una buena distribución de poros, propiedades que le permiten atrapar una gran diversidad de moléculas. 
La acción y efecto de adsorber, se conoce como: “Adsorción”, siendo este un término usado para describir la existencia de una alta concentración de sustancias en la interfase entre el fluido y el sólido. Esta puede ser dividida en adsorción física o fisiadsorción y adsorción química o quimiadsorción. En la adsorción física, las impurezas se unen a la superficie del carbón mediante las débiles fuerzas de Van der Waals, mientras que, en la quimiadsorción, las fuerzas son relativamente grandes y aparecen en sitios específicos en la superficie llamados sitios activos. La eficiencia de la adsorción de los carbones dependerá, por lo tanto, de su área superficial accesible, pero también de estos sitios activos en la superficie, donde la quimiadsorción pueda ocurrir. 
De acuerdo a la clasificación de la IUPAC, los poros se clasifican en función de su tamaño de diámetro en tres grupos principales, como se muestra en la Figura 3:
Microporos: diámetro de poro menor de 2 nm
Mesoporos: diámetro de poro entre 2 nm y 50 nm
Macroporos: diámetro de poro mayor de 50 nm
 
La estructura del poro es la más importante propiedad de los carbones activados, se creía que los carbones tenían que ser activados mediante tratamiento químico y con calor antes que estos remuevan color u otra impureza, de aquí el nombre de Carbón Activado. Ahora es sabido que la remoción de impurezas presentes en gases y líquidos es por adsorción y el proceso de activación simplemente incrementa el área superficial interna y el número de sitios disponibles para la adsorción, aumentando, por ende, sus propiedades adsorbentes. 
Los carbones activados pueden tener un área entre 500 a1500 m2/g de carbón. Esta enorme área los convierte en un excelente adsorbente. 
los microporos le confieren la elevada superficie y capacidad de retención, mientras que los mesoporos y los macroporos son necesarios para retener moléculas de gran tamaño, como pueden ser colorantes o coloides, y favorecer el acceso y la rápida difusión de las moléculas a la superficie interna del sólido. Por otra parte, el carbón activado tiene escasa especificidad ante un proceso de retención, es un adsorbente “universal”. No obstante, por su naturaleza apolar y por el tipo de fuerzas implicadas en el proceso de adsorción, retendrá preferentemente moléculas apolares y de alto volumen molecular (hidrocarburos, fenoles, colorantes y otros) mientras que sustancias como nitrógeno, oxígeno y agua prácticamente no son retenidas por el carbón a temperatura ambiente.
Para la producción de carbón activado se debe partir de una materia prima con propiedades bien definidas tales como abundancia, dureza, estructura inherente de poros, alto contenido de carbono, bajo contenido de cenizas y alto rendimiento en masa durante el proceso de carbonización. Se ha demostrado que materias primas como la madera, lignito, endocarpios y huesos de algunas frutas como el coco (cáscara) y los huesos de olivas, presentan buenas propiedades para la activación. 
En general, el proceso de manufactura del C.A contiene dos etapas: carbonización de las materias primas carbonáceas en una atmósfera inerte seguido por la activación de los productos carbonizados. El proceso de activación puede ser de dos formas, física o química. La activación química posee mayor aplicación en la actualidad debido a su baja temperatura de activación y alto rendimiento comparado con la física. 
APLICACIONES
Procesos de separación en fase líquida 
Entre las principales aplicaciones están la remoción de impurezas que causan color, olor y sabor en agua potable en potabilizadoras, refresqueras y purificadores caseros; en otros líquidos de procesos alimenticios (ejemplo: zumos, vinos, vinagres, destilados), en líquidos de procesos químicos (ejemplo: solventes y fármacos). Se usan para remover compuestos orgánicos y metales ligados a moléculas orgánicas en aguas residuales de origen municipal o industrial, precursores de color que pueden no tener color original, pero que lo causan en una etapa posterior del proceso o después de que el producto se ha envasado y vendido (ejemplo: glucosa de maíz), contaminaciones que interfieren en la cristalización y en el rendimiento de la formación de cristales (ejemplo: industria azucarera), compuestos que causan espumas, impurezas que causan turbidez o precursores de la misma.
Procesos de separación en fase gaseosa. 
Las principales aplicaciones pueden clasificarse de acuerdo a la remoción:
1- De olores en objetos y lugares públicos, así como en la fabricación de mascarilla para gases, boquillas de cigarrillo, adsorbedores de ozono y vapores de gasolina en el interior de automóviles. 
2- De vapores de ácidos, bases u otros compuestos, teniendo en cuenta que cuando los compuestos a adsorber no son adsorbibles en CA, se procede impregnando el carbón en un compuesto químico que reaccione con el contaminante que requiere eliminarse,
3- De etileno generado por frutas y otros vegetales almacenados, mediante adsorción en CA impregnado con un agente oxidante (mediante este procedimiento, se evita la maduración prematura).
4- De compuestos orgánicos en aire o gases de escape provenientes de desengrasado de metales y partes automotrices, recubrimiento de películas, cintas magnéticas, mallas y cintas adhesivas. 
Filtros para aire, gas comprimido, purificación de agua y aplicaciones biomédicas. 
Los filtros con carbón activado se utilizan generalmente en la purificación de aire, agua y gases, para quitar sabores, olores y otros hidrocarburos del aire y de gases comprimidos.
Se utiliza en purificación del agua de lluvias en zonas donde esta, es usada para usos domésticos. El tamaño del poro del carbón activado y el tamaño de las partículas a filtrar también influyen en la vida útil y capacidad de filtración del filtro. Por lo que, la única forma de saber si un filtro de carbón activado ha dejado de funcionar es hacer un análisis del agua resultante del filtro, pues ni el sabor ni el olor, pueden ser un referente certero. Una vez que se ha saturado un filtro de carbón activado, el agua que pase por él, resultará más contaminada que si no se filtrara.
El carbón activado es usado como agente adsorbente (pastillas de carbón), para tratar envenenamientos y sobredosis por ingestión oral, previendo la absorción del veneno en el estómago, entre otros usos biomédicos. 
CATALIZADORES DE HETEROPOLIÁCIDOS
Un heteropoliácido está constituido por oxígeno y un metal de transición. Este tipo de ácidos se utilizan con frecuencia como un catalizador reutilizable en reacciones
químicas. La presencia de los dobles enlaces M=O (metal-oxígeno) polarizan la carga negativa de los átomos de oxígeno hacia los positivos (metálicos).
La deslocalización de la carga hace que se presente una acidez Brönsted relativamente alta, mayor que el H2SO4 y que algunos sólidos como: alúmina, sílice y zeolitas.
Los heteropoliácidos pueden ser ligeramente solubles en los medios de reacción y presentar una fase homogénea en el producto, debido a la alta velocidad de reacción y a la fácil filtración en los sitios activos que algunasveces causa la desactivación del catalizador.
La actividad de los heteropoliácidos puede relacionarse con el número de sitios ácidos presentes. Compuestos del tipo Hx[XM12O40] (estructura tipo Keggin), actúan como ácidos fuertes “Strong polybasic acid”. Esa característica se basa en las propiedades estructurales inherentes a la presencia de protones deslocalizados los que pueden ser intercambiados rápidamente con los protones de las moléculas de agua de cristalización (de la llamada estructura secundaria), y con los protones localizados en los enlaces con oxígeno µ2-puentes de los polioxoaniones. En solución acuosa, estos ácidos fuertes se encuentran completamente disociados. Aunque, los heteropoliácidos son económicamente menos convenientes que los ácidos minerales, como el H2SO4 o HCl, poseen ventajas respecto a los segundos dado que son no-volátiles, inodoros y térmicamente estables, pudiendo utilizarse tanto en catálisis heterogénea como homogénea, como bulk o soportados en sistemas inertes como sílica-gel, carbón activado, etc. Actualmente, la principal aplicación catalítica de los heteropoliácidos, es la producción industrial de 2-propanol, 2-butanol y tert-butanol en fase líquida por hidratación de las correspondientes olefinas.
Dado que en estos sistemas los puentes oxo superficiales son considerados centros ácidos, el conocimiento de las estructuras electrónicas y de las densidades electrónicas es de suma importancia para comprender el comportamiento de los mismos en un proceso catalítico.
CATALIZADORES DE ZEOLITAS
Aunque la difusión de las zeolitas ha tenido lugar en los últimos cuarenta años, el descubrimiento de zeolitas naturales data de 1756, cuando el geólogo A. Cronstedt observó que ciertos minerales, como la estilbita, al ser calentados fundían y hervían al mismo tiempo, por lo que se les denominó zeolitas (del griego “zeo” hervir y “lithos” piedra). Pronto se observó que estos minerales eran capaces de intercambiar sus iones metálicos en disoluciones acuosas y que, una vez anhidros, podían adsorber selectivamente distintos compuestos. Por todo ello también se les
llamaron tamices moleculares.
ESTRUCTURA
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos de fórmula general:
 
donde x, m y n son números enteros correspondientes a la celdilla unidad y Me es un catión metálico de valencia n. La estructura tiene una relación de oxígeno a metal de 2, con tetraedros de composición neta [SiO2] y [AlO2] y una carga negativa igual al número de átomos de aluminio en posiciones estructurales. La estructura consiste en una red tridimensional de tetraedros SiO4 y AlO4 -, con los átomos de silicio o aluminio en el centro (átomos T), y los oxígenos (O) en los vértices (figura 2-1). 
 
Estos tetraedros (unidad fundamental) se enlazan por sus átomos de oxígeno originando estructuras poliédricas (poliedros simples) que constituyen las estructuras secundarias (figura 2-2).
 
Finalmente, estos poliedros se unen formando las estructuras terciarias más o menos complejas (figura 2-3).
 
Las diferentes formas de coordinación de los tetraedros, así como la relación silicio/aluminio originan los distintos tipos de zeolitas (figura 2-4). En este proceso, se van formando cavidades o canales de distinto tamaño, donde se alojan cationes y moléculas de agua, y que están conectados entre sí por medio de aberturas o poros de dimensiones constantes. Cada átomo de aluminio que sustituye isomórficamente a uno de silicio proporciona una carga negativa, la cual se neutraliza con las cargas positivas que aportan los cationes.
 
PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LAS ZEOLITAS
Las aplicaciones industriales de las zeolitas son consecuencia de sus propiedades físico-químicas. Muchas de estas propiedades resultan tan ventajosas que han motivado la sustitución de otros productos convencionales por zeolitas en numerosos procesos industriales.
Las aplicaciones industriales de las zeolitas son consecuencia de sus propiedades físico-químicas. Muchas de estas propiedades resultan tan ventajosas que han motivado la sustitución de otros productos convencionales por zeolitas en numerosos procesos industriales.
a) Adsorción: Es característica común de las zeolitas que al ser calentadas a vacío o en corriente de gas (N2, He, aire) pierdan el agua de hidratación que alojan en sus cavidades, sin que se modifique su estructura. En este estado de deshidratación, y dada la gran superficie interna creada (300-800 m2/g), las zeolitas presentan una gran capacidad para la adsorción selectiva de cualquier molécula que pueda penetrar en sus cavidades.
Las zeolitas sintéticas poseen características especiales que las diferencian de otros materiales adsorbentes usuales (carbón activo, gel de sílice, alúmina...) entre las que destacan:
- Distribución de poro uniforme, que les imprime carácter de tamiz molecular para separar moléculas de distintos tamaños.
- Adsorben preferentemente sustancias polares o apolares a bajos o altos valores de la relación silicio/aluminio, respectivamente.
- Mayor afinidad por lo que les permite separar compuestos no sólo en razón de su tamaño, si no, a igualdad de éste, por diferencias de configuración.
- Mayor capacidad de adsorción que los otros adsorbentes, consiguiéndose mejores rendimientos incluso en condiciones desfavorables (elevadas temperaturas y bajas concentraciones de adsorbible)
Como consecuencia de estas propiedades las zeolitas se aplican con buenos resultados en el secado de gases y líquidos y en la separación y purificación de mezclas tanto líquidas como gaseosas.
b) Intercambio iónico: La capacidad de las zeolitas para intercambiar sus cationes
hace de estas un medio excelente para estudiar los fenómenos de intercambio iónico, pero su importancia radica en que pueden modificar sus propiedades de adsorción (variando el tamaño de poro o la fuerza de interacción con los adsorbatos) y sus propiedades catalíticas.
La mayor o menor capacidad de intercambio de una zeolita depende fundamentalmente de la mayor o menor proporción de aluminio en su estructura, mostrando cada tipo de zeolita una selectividad diferente hacia determinados cationes.
La capacidad de intercambio va a depender de:
Naturaleza, tamaño (tanto anhidro como hidratado) y carga del catión.
- Temperatura a la cuál se realiza el intercambio.
- Concentración de las especies catiónicas en disolución.
- Especies aniónicas asociadas con las catiónicas en disolución.
- Naturaleza del disolvente (acuoso u orgánico).
- Características estructurales de cada zeolita en particular.
La posibilidad de las zeolitas de actuar como tamiz iónico ha encontrado sus aplicaciones en operaciones de separación de cationes por intercambio iónico, sustituyendo a los intercambiadores convencionales de tipo orgánico y resinas cambiadoras. Sin embargo, aunque tienen la ventaja de poseer mayor capacidad de intercambio, presentan el inconveniente de ser inestables en medios fuertemente ácidos o básicos. Por ello, se aplican principalmente en procesos tales como la desalinización del agua, formulación de detergentes, eliminación de residuos radiactivos, preparación de abonos de acción retardada, etc., aunque la capacidad de intercambio iónico de las zeolitas se ha utilizado fundamentalmente en la preparación de catalizadores específicos, siendo numerosos los trabajos que tratan de relacionar la actividad catalítica con el grado de intercambio y el catión intercambiado.
c) Actividad catalítica: Las zeolitas son los catalizadores más utilizados a nivel mundial, por esa razón son, probablemente, el grupo de catalizadores heterogéneos que ha sido mejor caracterizado. Han recibido una atención especial debido a sus propiedades (estructura microporosa, composición química muy variada y facilidad de intercambio de los cationes compensadores de carga) lo que hace de ellas un grupo de materiales muy extensamente usados en procesoscatalíticos como la conversión de hidrocarburos (alquilación, craqueo, hidrocraqueo, isomerización, hidrodeshidrogenación, reformado selectivo, deshidratación, conversión de metanol a gasolina); reacciones inorgánicas de oxidación de H2S, oxidación de monóxido de carbono (CO), disociación de agua; y en reacciones de química orgánica para la obtención de intermedios y productos de elevado poder añadido.
Los factores que influyen en la actividad catalítica de las zeolitas son:
- La estructura de la zeolita, determinada por la forma y tamaño de sus poros.
- El tipo, tamaño y carga del catión de la red.
- La localización de los cationes en la zeolita y el grado de intercambio.
- La relación silicio/aluminio, que puede afectar a la actividad y selectividad.
- La cantidad de protones donadores presentes en la estructura.
- La presencia de elementos metálicos activados en estado de dispersión.
Una ventaja que presentan las zeolitas, en su uso como catalizadores heterogéneos, es que al generar centros activos en los tamices moleculares además de la selectividad debida a la fuerza de los centros existe una selectividad de forma. Esta consiste en que el tamaño y la forma de los reactivos, los intermedios de reacción y los productos debe coincidir con la estructura de la zeolita.
BACISIDAD INTRÍNSECA
La sustitución en la estructura cristalina de una zeolita de un átomo por otro de menor valencia (Si4+ por Al3+, P5+ por Si4+), da lugar a la aparición de una carga negativa en la estructura que debe ser neutralizada por un protón o un catión metálico.
Estas cargas positiva y negativa generan el carácter ácido-base de las zeolitas, siendo los átomos de oxígeno cargados negativamente los centros básicos, mientras que el catión que compensa esta carga negativa de la estructura actúa como un ácido de Lewis. En las zeolitas básicas, por definición no protónicas, las cargas negativas de la red están compensadas por cationes metálicos, generalmente monovalentes.
Dos son las variables que pueden afectar a la distribución de la carga negativa en la estructura de la zeolita y consecuentemente a su basicidad, el tipo de estructura y la composición química.
COMPOSICIÓN QUÍMICA
Variando el contenido en aluminio o la naturaleza del catión que compensa la carga negativa que estos átomos de aluminio generan, puede modificarse la basicidad de una zeolita. Así, para un catión determinado, la carga en el oxígeno aumenta al aumentar el contenido en Al, debido a la menor electronegatividad del aluminio comparada con la del silicio. Esta menor electronegatividad hace que los electrones del oxígeno más cercanos a la estructura sean menos atraídos por el aluminio, es decir, los átomos de oxígeno del tetraedro AlO4 presentan una mayor densidad de carga negativa.
En las formas catiónicas de las zeolitas existen pares ácido-base conjugados, pudiendo prevalecer el carácter ácido o el básico de la zeolita dependiendo de la electronegatividad y movilidad de los cationes que compensan las cargas negativas de la estructura. En consecuencia, algunas zeolitas como KY y NaX muestran carácter anfótero, comportándose como ácidos o bases dependiendo de las propiedades de las moléculas adsorbidas en sus cavidades.
El carácter básico intrínseco de la red está unido a la carga de los átomos oxígeno, que depende de la estructura y de la composición química. Estos parámetros van a determinar la reactividad de los centros básicos en adsorción y catálisis. Los materiales más básicos serán aquellos con un mayor contenido en Al que se intercambien con los cationes menos electronegativos (Cs+).
Referencias
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(s.f.). CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN. 
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(s.f.). TEMA VIII: INTRODUCCIÓN A LA CATÁLISIS HOMOGÉNEA. PDF.