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. La disattivazione del catalizzatore è un fenomeno per cui un catalizzatore perde progressivamente la sua attività o selettività durante un processo catalitico. Il fenomeno della disattivazione del catalizzatore è emerso gradualmente nel corso dell’evoluzione della catalisi,  fin dalle prime applicazioni industriali tra il XIX e il XX secolo e poi formalizzato grazie agli sviluppi della chimica fisica, della scienza dei materiali e della termodinamica.

Cause della disattivazione del catalizzatore

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.

La disattivazione del catalizzatore ha un impatto economico rilevante, perché richiede:

Sostituzione o rigenerazione periodica
Maggiore consumo di energia
Calo della resa e della selettività della reazione

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

La disattivazione del catalizzatore può avvenire per adsorbimento irreversibile di sostanze sul sito attivo, per alterazione chimica del centro catalitico, deposizione fisica di sostanze che impediscono il contatto reagente-sito attivo, possibile formazione di strati superficiali non reattivi, mobilità superficiale delle particelle metalliche, alterazione dello stato di ossidazione del metallo catalitico, formazione di specie inattive ad esempio il palladio metallico viene ossidato a  Pd²⁺ inattivo.

Reazioni

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

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