Catalizadores eficientes y económicos para la oxidación de COVs

Autora: Raquel Portela, ICP-CSIC


Los compuestos orgánicos volátiles (COVs, o por sus siglas en inglés VOCs, volatile organic compounds) son dañinos para la salud y el entorno incluso a muy bajas concentraciones, especialmente por su capacidad de producir oxidantes fotoquímicos. Entre las fuentes antropogénicas de COVs más importantes y que están reguladas por normativa se encuentran las actividades que implican el uso de disolventes y de pinturas y barnices. Además de reducir las emisiones mediante el fomento de buenas prácticas y tecnologías menos contaminantes, como se pretende con la medida número 25 del Plan Azul + de la Comunidad de Madrid (2013-2020), es necesario optimizar las tecnologías de eliminación de  COVs de las emisiones que no pueden ser evitadas.

En el caso de bajas concentraciones de contaminante cuya recuperación tiene poco interés en caudales grandes de aire resulta muy costoso tanto retener los COVs mediante métodos no destructivos, como subir la temperatura hasta 700-1200 ºC para conseguir su oxidación térmica. El uso de lechos catalíticos, principalmente basados en metales u óxidos metálicos soportados en sólidos porosos, permite reducir a 250-400 ºC la temperatura requerida para oxidar los COVs con elevadas eficiencias a CO2 y H2O.

La actividad catalítica, la viabilidad económica y el impacto ambiental de los catalizadores son parámetros clave para que puedan ser usados ampliamente en la industria y que dependen en gran medida del método de preparación y del grado conseguido de dispersión y accesibilidad del metal en el soporte.

La preparación convencional de catalizadores sólidos es relativamente compleja y costosa, ya que implican varias etapas de síntesis, que incluyen la obtención del soporte, la incorporación del catalizador y la activación, para las que suelen ser necesarios una serie de tratamientos térmicos1. Recientemente investigadores del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) del CSIC han propuesto un método basado en la utilización de carbón pre-impregnado (ICP por sus siglas en inglés: impregnated carbon procedure) para fabricar sólidos estructurados funcionalizados muy activos catalíticamente. Este procedimiento reduce al mínimo el consumo de energía y reactivos al llevar a cabo en una sola etapa la dispersión del precursor del metal y su reducción in situ junto con la generación de grandes macroporos2,3. El método consiste en el amasado de una pasta acuosa compuesta por un aglomerante y carbón activado (AC) donde el precursor de la fase activa ha sido pre-impregnado. Además, un óxido metálico puede ser incluido como soporte. La pasta, una vez homogénea, se extruye con la forma final deseada: monolito, pastilla, etc. Este sólido se transforma entonces en un catalizador activo en un único tratamiento térmico en atmósfera pobre en oxígeno. Con la calcinación se consolida la estructura cerámica y se queman las partículas de carbón, con lo que se genera macroporosidad y además se transfiere la fase activa dispersa al soporte final de manera similar a la deposición química de vapor; simultáneamente se produce la reducción del catión metálico, ya sea por acción del carbón directamente o por la del del monóxido de carbono formado.

El grupo de Espectroscopia y Catálisis industrial (SpeICat) del ICP ha desarrollado mediante el método descrito catalizadores sólidos con muy bajo contenido en Pt (0.2% en peso) y alta actividad catalítica para la oxidación de COVs, tal y como se recoge en un artículo reciente4. El aglomerante empleado es sepiolita natural, arcilla accesible y económica que aporta meso/macroporosidad. Este silicato de magnesio se puede combinar con alúmina o titania para mejorar la afinidad del monolito por el precursor metálico empleado, y por tanto la dispersión final. Si se comparan estos materiales con catalizadores de composición equivalente preparados por impregnación húmeda del soporte preconformado las ventajas son múltiples; a la sencillez del método de preparación propuesto se añade que la actividad para oxidación de COVs es claramente favorable, como se observa en la Figura 1. La conversión obtenida por impregnación convencional del soporte de sepiolita (curva negra) o sus mezclas con los óxidos metálicos es muy inferior a la obtenida cuando el carbón pre-impregnado actúa como generador de macroporos, agente dispersante y reductor de la fase activa (método ICP,curva naranja, arriba). Cabe destacar que en el caso de sepiolita sola, cuando se emplea carbón sólo para generar macroporosidad en el soporte, y no para dispersar la fase activa, y se realiza la impregnación convencional a posteriori, la conversión disminuye (curva morada, abajo), porque el metal tiende a agregarse en los poros. Al añadir uno de los óxidos metálicos, con punto de carga cero elevado, y por tanto mayor afinidad por el precursor al pH de impregnación, la conversión del material impregnado a posteriori mejora, pero sigue siendo inferior a la obtenida mediante la pre-impregnación del carbón.

Figura 1. Esquema resumen de la preparación de catalizadores extruidos basados en platino sobre sepiolita, y del efecto que tienen el carbón activado y el método de impregnación en la porosidad, dispersión y actividad oxidativa. La curva negra de actividad, referencia, es la obtenida sin emplear CA. La curva violeta y la micrografía correspondiente (abajo) son las obtenidas cuando se emplea CA en la extrusión pero se impregna el material una vez consolidado; en ausencia de un óxido metálico como soporte la macroporidad favorece la formación de aglomerados. La curva naranja representada sobre su micrografía (arriba) se obtiene pre-impregnando el CA (método ICP), con lo que se simplifica la preparación y se favorece la dispersión. Ver el artículo completo en 4.


Bibliografía:

1.         P. Ávila, M. Montes and E. E. Miró, Chem. Eng. J., 2005, 109, 11-36. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2005.02.025

2.         J. Blanco, A. L. Petre, M. Yates, M. P. Martin, S. Suarez and J. A. Martin, Advanced Materials, 2006, 18, 1162-1165. http://dx.doi.org/10.1002/adma.200501061

3.         EP1952885A1, 2008.

4.         R. Portela, V. E. García-Sánchez, M. Villarroel, S. B. Rasmussen and P. Ávila, Appl. Catal., A, 2016, 510, 49-56. http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2015.10.050

 

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