Disattivazione del catalizzatore: cause, reazioni

Uno dei maggiori problemi nel corso di una catalisi industriale omogenea ma soprattutto eterogenea è la disattivazione del catalizzatore ovvero la perdita dell’attività catalitica che avviene nel tempo.

Cause

La disattivazione del catalizzatore può essere dovuta a:

  • avvelenamento
  • contaminazione
  • degradazione termica
  • formazione di composti
  • reazioni tra le fasi
  • frantumazione

Le cause pertanto possono essere sia di natura chimica, che meccanica o termica. L’avvelenamento è la perdita di attività a causa del forte chemisorbimento sui siti attivi di impurità presenti nel flusso di alimentazione riducendo così il numero di siti attivi disponibili per le reazioni catalitiche. Questo processo può essere reversibile o irreversibile.  Nell’avvelenamento reversibile, la forza del legame di adsorbimento non è elevata e l’attività è riguadagnata quando il veleno è rimosso dall’alimentazione. Invece quando il materiale adsorbito è tenuto saldamente nei siti attivi, l’avvelenamento è irreversibile e permanente.

Una rapida disattivazione può essere causata dalla deposizione fisica della sostanza sui siti attivi dei catalizzatori come la deposizione di carbonio sui catalizzatori utilizzati nell’industria petrolchimica.

Il carbonio copre il sito attivo dei catalizzatori e può anche ostruire parzialmente l’ingresso dei pori. Questo tipo di disattivazione è parzialmente reversibile e la rigenerazione può essere effettuata insufflando aria in modo che ad alte temperature il carbonio si ossidi a monossido o biossido di carbonio.

A causa delle alte temperature a cui opera spesso un catalizzatore  può subire modifiche strutturali o sinterizzazioni. Si ha così una  conseguente riduzione della superficie specifica o un cambiamento nella natura chimica dell’agente.

Meccanismo

Il meccanismo attraverso il quale può essere disattivato un catalizzatore può avvenire:

  • Il reagente dà luogo alla formazione di un sottoprodotto della reazione che si deposita sulla superficie del catalizzatore
  • Il prodotto può decomporsi o reagire ulteriormente per dare una sostanza che si deposita disattivando la superficie del catalizzatore

Reazioni

Sono riportati in tabella le reazioni più rappresentative dell’industria chimica, i catalizzatori usati e i tipici veleni che disattivano il catalizzatore

 

Reazione Catalizzatore Veleni
Cracking Ossido di alluminio su silice, zeoliti Basi organiche, idrocarburi, metalli pesanti
Idrogenazione, Deidrogenazione Nichel, platino, palladio Composti di S,P, As, Zn, Hg,alogenuri,Pb, NH3, C2H2
Reforming di vapore Nichel H2S, As
Sintesi dell’ammoniaca Ferro, rutenio O2, H2O, CO, S, C2H2
Sintesi di Fischer-Tropsch Cobalto, ferro H2S, As, NH3, metallo carbonili
Cracking in presenza di idrogeno metalli nobili su zeoliti NH3, S, Se, Te, P
Ossidazione dell’etene a ossido di etilene Argento C2H2
Ossidazione/ riduzione catalitica selettiva ossido di vanadio (V) As/Fe, K, Na (dalle ceneri)
Ossidazione di CO e idrocarburi Platino, palladio Pb, P, Zn, SO2, Fe

 

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