Catálisis heterogénea
La catálisis heterogénea es un proceso químico en el cual la reacción puede ocurrir tanto en la superficie de un catalizador sólido como en su interior, mientras que los reactivos están en fase líquida o gaseosa.
Catálisis heterogénea
En este tipo de catálisis, el catalizador y los reactivos no se mezclan de forma homogénea, sino que interactúan en la interfaz entre la fase catalítica y la fase de reacción.
El catalizador utilizado en la catálisis heterogénea puede ser un material sólido que pueden tener una estructura porosa. El catalizador presenta centros activos, que son lugares donde los reactivos se adsorben y reaccionan entre sí para formar productos.
Absorber vs Adsorber
Aunque pueda parecer que absorber y adsorber es lo mismo, existe una diferencia fundamental entre ambos términos.
Absorber
Es un proceso mediante el cual moléculas átomos o iones de una corriente gaseosa o líquida son capaces de disolverse en otra corriente en estado líquido.
Adsorber
Es un proceso por el cual moléculas, átomos o iones de una corriente gaseosa o líquida se quedan adheridos a la superficie exterior de otra sustancia sólida.
La catálisis heterogénea se utiliza ampliamente en numerosas aplicaciones industriales, como en el refinado de petróleo, la producción de diversos compuestos químicos, la síntesis de materiales y la conversión de Gases de Efecto Invernadero (GEI), como el CO2, en productos útiles como el metanol o metano. Algunos ejemplos de catalizadores heterogéneos son:
Materiales zeolíticos
Aluminosilicatos microporosos que forman redes tridimensionales. Su aplicación industrial destaca especialmente por su papel en la formulación de detergentes y en petroquímica, en procesos como el craqueo catalítico. Algunos ejemplos conocidos son la zeolita ZSM-5, la zeolita FAU, o la zeolita LTA.
Óxidos metálicos
Como su propio nombre indica, son óxidos de metales que se utilizan ampliamente debido a su elevada estabilidad. Algunos ejemplos son el óxido de titanio TiO2 o el óxido de aluminio Al2O3.
Materiales metalo-orgánicos (MOFs)
Estructuras tridimensionales porosas, de carácter sólido y generalmente cristalino. Están compuestas por iones o clústeres metálicos, unidos entre sí por ligandos orgánicos. En la industria tiene un papel especial el Cu-HKUST-1, cuya función es la adsorción de GEI.
¿Cómo funciona la catálisis heterogénea
El proceso de catálisis heterogénea generalmente sigue los siguientes pasos:
1. Adsorción:
Los reactivos se adsorben en la superficie del catalizador, lo que facilita la interacción entre ellos y la formación de los productos deseados. Durante este proceso, los enlaces químicos pueden debilitarse y permitir que ocurran reacciones químicas.
2. Reacción:
Los reactivos adsorbidos reaccionan entre sí en la superficie del catalizador para formar los productos deseados. Esta reacción puede implicar ruptura, formación o reordenamiento de enlaces químicos.
3. Desorción
Los productos formados se separan de la superficie del catalizador y se liberan al entorno.
4. Regeneración:
En algunos casos, el catalizador puede perder actividad debido a la acumulación de subproductos o contaminantes. En este caso, el catalizador puede ser regenerado mediante la eliminación de estos materiales no deseados.
Ventajas e Inconvenientes
La catálisis heterogénea presenta, como cada proceso, sus ventajas e inconvenientes.
Ventajas
- Fácil separación del catalizador
- Capacidad de reutlizar el catalizador
Inconvenientes
- Alta concentración del catalizador
- Baja actividad catalítica
- Centros activos superficiales
Catálisis heterogénea
En la actualidad, la producción de metanol a escala industrial se obtiene a partir del gas de síntesis, que es una mezcla entre CO, H2 y pequeñas proporciones de CO2 que proviene del reformado del gas natural. El gas de síntesis se procesa mediante una ruta catalítica heterogénea con un catalizador de Cu/ZnO/Al2O3. Este proceso requiere unas condiciones de reacción muy severas de 50 a 100 atm y una temperatura de 250 ºC. Aparte de ser unas condiciones de reacción muy agresivas, el metanol proviene del gas de síntesis, lo que supone un problema desde el punto de vista medioambiental.
Otra forma de producir metanol a escala industrial es mediante la hidrogenación del CO2, pero de nuevo este proceso requiere altas temperaturas entre 220 y 250 °C y presiones medias de 30 bar. Se precisa de alta temperatura debido a la alta estabilidad térmica y a la baja reactividad del CO2. Además, se necesita elevar la presión debido a que, al ser una reacción de reducción molecular, termodinámicamente es más favorable a altas presiones.