Cărbunele activ - preparare și utilizare drept suport pentru catalizatori

1. Generalități

Cărbunele activ, denumit și cărbune activat sau cărbune medicinal, se poate obține dintr-o varietate de tipuri de cărbuni prelucrați, rezultând un material cu volum și pori mici care generează o suprafață mare de adsorbție a multor compuși nedoriți în reacțiile chimice.

Multe dintre procesele chimice utilizate în prezent în industria chimică folosesc catalizatori depuși pe un suport, deoarece aceștia generează o suprafață internă mai mare, dar și inerție și versatilitate mare. Aceste caracteristici fac din cărbunele activ un suport ideal pentru o gamă largă de catalizatori precum:

- catalizatori de tip metal prețios (Au, Pt, Pd, Ir, Ru, Rh etc);

- catalizatori de tip metal de bază (Co, Cu, Zn, Fe).

Figura 1, Procesul de obținere al suportului de cărbune activ

Catalizatorii pe bază de metale prețioase pot utiliza drept suport cărbunele activ, această combinație fiind utilizată în cadrul industriei farmaceutice și în cadrul obținerii substanțelor fine, cărbunele activ având un rol cheie de purtător pentru metalele prețioase în aceaste aplicații, crescând eficiența procesului catalitic de impregnare și reducând timpul de realizare a procesului. Suporturile pe bază de cărbune activ prezintă un procent ridicat al purității, filtrabilității, iar porozitatea acestora variază în funcție de domeniul de utilizare.

2. Proprietățile unui suport catalitic

Un suport pentru catalizatori trebuie să aibe anumite caracteristici generale, cum ar fi:

- să fie inert;

- proprietăți mecanice adecvate (rezistență la uzură, duritate, rezistența la compresiune, rezistența la rupere)

- stabilitate sub condițiile de reacție;

- să fie poros;

- să fie optim din punct de vedere al dimensiunii porilor;

- să aibe un volum optim al porilot;

- să prezinte o formă corespunzătoare domeniului de aplicabilitate;

- să fie optim din punct de vedere al funcționalității suprafeței.

Carbonul trebuie să îndeplinească aceste criterii pentru a fi utilizat în majoritatea aplicațiilor în care se utilizează catalizatori.

Cinetica și filtrabilitatea se realizează prin controlul distribuției mărimii particulelor. O dimensiune mai mare a particulelor dă o cinetică mai bună între reactanți și catalizatorul utilizat, iar o mărime prea mică a particulelor va da o filtrare rapidă, dar va îngusta caracteristicile suspensiei.

Activitatea catalitică optimă este menținută de o cantitate mare de pori de dimensiune medie, aceasta dând beneficii în ceea ce privește suprafața disponibilă pentru dispersia catalizatorului, transportul rapid al reactanților în și din pori și eventual adsorbția de produși secundari nedoriți. Minimizarea reacțiilor secundare se poate realiza dacă cărbunele activ are o puritate înaltă, acest lucru fiind necesar pentru a preveni formarea reacțiilor secundare sau otrăvirea catalizatorului.

Un rol de mare importanță al suporturilor pe bază de cărbune activ este reprezentat de minimizarea pierderilor de metal. Catalizatorul depus pe suportul de cărbune activ trebuie să aibe o putere mare de măcinare pentru a preveni dezintegrarea stratului de catalizator, fiind nevoie și de o duritate înaltă, rezultând astfel o abraziune scăzută pentru a evita subțierea catalizatorului, astfel încât are loc minimizarea pierderilor de metale prețioase.

Eliminarea efectivă a otrăvirii catalizatorului va duce la extinderea duratei de viață a acestuia, obținând astfel valori ridicate ale randamentului. Activitatea înaltă a suportului este dată de suprafața mare pe care o are cărbunele activ la care predomină mezoporii. În această situație catalizatorul metalic în formă de “coajă de ou” este în principal dispersat pe partea exterioară a particulei de carbon.

Cărbunele activ are o compoziție diferită a porilor în funcție de materia primă din care este obținut. În figura 1 se pot observa diferențele ce se stabilesc între volumele porilor cărbunelui activ în funcție de proveniența lui.

Figura 2, Volumul porilor cărbunelui activ în funcție de materia primă din care este obținut

3. Reacții în care este utilizat cărbunele activ drept suport catalitic

Cele mai importante reacții chimice în care sunt utilizate suporturile de cărbune activ sunt următoarele:

- hidrogenarea;

- alchilarea reactivă / alchilarea amoniacului;

- separări carbon - oxigen / azon;

- hidrodehalogenarea;

- decarbonilarea;

- disproporționarea;

- dehidrogenarea;

- oxidarea;

- dehidrohalogenarea;

- debenzilarea;

- sinteza hidroxilaminelor;

- electrocataliză.

Suporturile catalitice pentru metalele de bază pot fi utilizate la îndulcirea hidrocarburilor. Procesul de îndulcire a hidrocarburilor se bazează pe extracția catalitică a mercaptanilor din produsele rafinate. Un suport catalitic dezvoltat special pentru îndulcirea hidrocarburilor se regăsește sub formă de granule de cărbune activ (GAC). Datorită suprafeței interne mari, acestea au o deosebită importanță pentru catalizator, ducând la convertirea eficientă a mercaptanilor în disulfuri.