Roberto Aguilar y Rafael Porcuna
Máster Ingeniería AmbientalTratamiento Avanzado de Emisiones Gaseosas
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
ÍNDICE
1. Introducción.........................................................................................................................2
1.1 La Atmósfera................................................................................................................2
1.2 Contaminación Atmosférica.........................................................................................2
2. Compuestos Orgánicos Volátiles..........................................................................................3
2.1 Definición y fuentes de emisión de COVs.....................................................................3
2.2 Efectos de los COVs en el medio ambiente y la salud..................................................5
2.3 Compuestos Orgánicos Volátiles y la Oxidación Catalítica...........................................6
3. Fundamento Teórico Oxidación Catalítica............................................................................8
3.1 Condiciones del Catalizador.......................................................................................11
3.2 Método de Contacto entre el Catalizador y el gas contaminado................................13
4. Usos Oxidación Catalítica...................................................................................................16
4.1 Ventajas Oxidación Catalítica (EPA)............................................................................17
4.2 Limitantes Oxidación Catalítica (EPA).........................................................................17
5. Convertidor Catalítico en Coches...................................................................................18
6. Bibliografía.....................................................................................................................19
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
1. Introducción
1.1La Atmósfera
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea nuestro planeta, aislándolo del espacio
exterior. Se trata de un sistema dinámico muy complejo en el que se producen gran cantidad
de fenómenos y procesos. La atmósfera es fundamental para la vida, pues:
- Absorbe los rayos cósmicos y gran parte de la radiación ultravioleta.
- Desempeña un papel fundamental en el mantenimiento del balance térmico de la
Tierra.
- Es un componente básico del ciclo hidrológico.
- Es una fuente de determinados compuestos necesarios para la vida.
Por su idóneo mantenimiento es necesario conseguir elevados niveles de calidad en la
misma. A continuación se presenta una tabla donde se recogen los componentes que
componen la atmósfera y en la concentración típica en la que se encuentran.
Componente Concentración aproximada (% en volumen)Nitrógeno (N2) 78,08Oxigeno (O2) 20,95Dióxido de carbono (CO2) 0,0314Argón (Ar) 0,934Neón (Ne) 0,00182Helio (He) 0,000524Criptón (Kr) 0,000114Xenón (Xe) 0,0000087Hidrógeno (H2) 0,00005Metano (CH4) 0,0002Óxido nitroso (N2O) 0,000025
Tabla 1. Composición del aire natural seco (Mendoza Roca et al. 1998)
1.2Contaminación Atmosférica
La calidad del aire y su composición pueden verse alteradas por la actividad humana o por
procesos naturales y entonces se hablará de problemas de contaminación atmosférica. En
España, la ley 34/2007 de calidad del aire y protección de la atmósfera, define la
contaminación atmosférica como “la presencia en el aire de sustancias que puedan tener
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
efectos nocivos sobre la salud humana, el medioambiente en su conjunto y demás bienes de
cualquier naturaleza”.
De acuerdo con esta definición, un contaminante no es necesariamente una sustancia
extraña a la composición habitual del aire, sino aquella que se encuentre en una proporción tal
que pueda afectar de alguna manera a los seres vivos o al medio.
2. Compuestos Orgánicos Volátiles
Entre los distintos contaminantes atmosféricos, unos de los más difíciles de controlar son
los compuestos orgánicos volátiles.
2.1Definición y fuentes de emisión de COVs
Los compuestos orgánicos volátiles se definen como aquellos compuestos de carácter
orgánico que a 293,15 K (20°C) tienen una presión de vapor de 0,01 kPa o más, o aquellos que
tienen una volatilidad equivalente en las condiciones particulares de uso.
Así, son todos aquellos hidrocarburos que se presentan en estado gaseoso a la
temperatura ambiente normal o que son muy volátiles a dicha temperatura. Suelen presentar
una cadena con un número de carbonos inferior a doce y pueden contener otros elementos
como oxígeno, flúor, cloro, bromo, azufre o nitrógeno.
Existe una gran variedad de ellos, superando el millar, pero los más abundantes en el aire
son metano, tolueno, n-butano, i-pentano, etano, benceno, n-pentano, propano y etileno
(Neus Blanch Raga, 2014).
La Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. (EPA) dio la siguiente definición para los
COVs: “cualquier compuesto de carbono, con exclusión del monóxido de carbono, dióxido de
carbono, ácido carbónico, carburos metálicos o carbonatos y carbonato de amonio, que
participa en reacciones fotoquímicas atmosféricas. Esto incluye cualquier compuesto orgánico
distinto de los compuestos que que tienen reactividad fotoquímica despreciable (por ejemplo
se incluyen como COVS, metano, etano, cloruro de metileno,...)”. Según esta definición una
amplia variedad de compuestos orgánicos, tales como alifáticos, hidrocarburos aromáticos y
clorados, aldehídos, cetonas, ésteres, ácidos orgánicos y alcoholes pueden ser considerados
como COVs.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
Los compuestos orgánicos volátiles tienen unas propiedades características que pueden
causar efectos negativos sobre la salud y el medio ambiente (Ministerio de Agricultura). Estas
propiedades son:
- Volatilidad: Por definición los COVs son compuestos orgánicos que se evaporan
rápidamente, pues tienen una temperatura de ebullición baja. Esto permite que pasen
rápidamente a la atmósfera, contaminándola y generando importantes riesgos para la
salud, siendo la inhalación la principal vía de entrada al organismo de estos compuestos.
- Liposolubilidad: Los COVs son moléculas orgánicas y la mayor parte de ellas son
liposolubles. Presentan afinidad por las grasas por lo que se acumulan en los tejidos grasos
del cuerpo humano.
- Inflamabilidad: Generalmente los COVs son compuestos inflamables, es decir, arden con
facilidad en contacto con el aire. Por ello suponen un riesgo importante en caso de
incendio.
- Toxicidad: Las propiedades tóxicas de los COVs dependen de cada compuesto y de las
condiciones de exposición. A corto plazo pueden causar reacciones alérgicas o mareos y en
exposiciones más prolongadas se relacionan con lesiones neurológicas y otros efectos
psiquiátricos como irritabilidad, la falta de memoria o la dificultad de concentración.
Como todos los contaminantes, los COVs tienen dos orígenes, natural y antropogénico. El
COV natural más común es el metano, un gas de efecto invernadero generado por la
descomposición de la materia orgánica o por los procesos de digestión y defecación de
animales (especialmente del ganado). Otros COVs de origen natural son los aceites esenciales
constituidos por terpenos, como el isopreno, el pineno y el limoneno. Por otra parte, las
emisiones antropogénicas son debidas principalmente a la evaporación de disolventes
orgánicos y al transporte.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
Figura 1. Consejería de Medio Ambiente de Andalucía, 2011
Como se muestra en la imagen anterior, en la que se refleja el origen los COVs en la
provincia de Andalucía, la mayor parte de los COVs generados proceden del uso de disolventes
y del tratamiento y eliminación de residuos.
Los COVs se pueden clasificar de diversas formas. La mayoría de fuentes oficiales los
clasifica en dos grupos, metano (CH4) y compuestos orgánicos volátiles distintos del metano
(COVNM).
2.2Efectos de los COVs en el medio ambiente y la salud
La principal problemática ambiental de las emisiones de COVs radica por un lado en su
propia peligrosidad, pero también en el hecho de que estos compuestos reaccionan en la
atmósfera con los óxidos de nitrógeno (NOx) en presencia de radiación solar ultravioleta,
dando lugar a la contaminación fotoquímica (Neus Blanch Raga, 2014).
El mecanismo de formación de los contaminantes fotoquímicos es el siguiente: el NO
emitido se oxida a NO2 por el O2 atmosférico cuando la radiación solar es muy intensa. El NO2
absorbe esa radiación y se disocia produciendo NO y oxígeno atómico. El oxígeno atómico
formado es muy reactivo y se combina con el oxígeno molecular del aire dando lugar a la
formación de ozono.
Debido a su alto poder oxidante el ozono puede participar en numerosas reacciones,
oxidando los hidrocarburos presentes en el aire e iniciando un ciclo muy complejo en el que se
producen cetonas, aldehídos, ácidos peróxidos, etc. La condensación de estos compuestos
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
origina aerosoles fuertemente irritantes, que junto con el ozono troposférico, forman el
denominado smog fotoquímico.
El smog fotoquímico produce irritación de ojos, garganta y vías respiratorias, reducción de
la visibilidad y daños en las hojas de las plantas y junto con el ozono, puede atacar el tejido
vivo de plantas y animales e incluso lesionar el sistema nervioso central en caso de dosis altas y
continuadas.
Por otra parte, además de participar en la generación del smog fotoquímico, algunos
compuestos orgánicos volátiles también causan problemas directos sobre los seres vivos.
Tal y como se ha comentado anteriormente, muchos de estos compuestos son
liposolubles, y gracias a su afinidad por las grasas se acumulan en diversas partes del cuerpo
humano. Sus efectos son variados y dependen del compuesto y del periodo al que se ha estado
expuesto. A corto plazo tienen efectos irritantes en los ojos y en el tracto respiratorio,
pudiendo desencadenar también reacciones asmáticas. A largo plazo pueden dañar el hígado,
los riñones o el sistema nervioso central. Algunos además son carcinógenos, como por ejemplo
el benceno, y pueden dañar el intestino delgado.
2.3 Compuestos Orgánicos Volátiles y la Oxidación Catalítica
Existen varias técnicas para la reducción de las emisiones de COV.
Hoy en día, los métodos más comunes son la oxidación térmica y la oxidación catalítica.
En la oxidación total de los COV, las moléculas de este se transforman en CO2 y H2O. Para
romper las moléculas de los COV y oxidarlos a dióxido de carbono y agua, es necesario
superar la energía de activación de esta reacción. Para ello, se requiere una cierta cantidad de
energía necesaria para que la temperatura de la corriente de aire que contiene moléculas de
COV se eleve hasta un cierto punto donde ocurre la reacción (normalmente son temperaturas
superiores a 760 ° C) (Cooley, 2002).
El mayor problema para que se produzca oxidación es la baja concentración de COV en el
gas a tratar, la cual se encuentra normalmente en el intervalo de 0,1 a 10 g / Nm3.
Para poder llevar a cabo la oxidación de una concentración de COV tan reducida, una
enorme cantidad de aire debe ser calentado a una temperatura a la cual las reacciones pueden
desarrollarse superando la barrera impuesta por la energía de activación).
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
En numerosos casos, la energía contenida en los COV no es lo suficientemente alta como
para mantener la oxidación de foma continua, necesitando una gran cantidad de energía para
mantener el proceso.
El calentamiento de una corriente de gas de 10.000 Nm3 / h a la temperatura de oxidación
térmica (alrededor de 800 °C) requiere un aporte energético muy alto. Si se utiliza un buen
intercambiador de calor, con el cual el 90% de la energía pueda ser transferida a la corriente
de gas entrante, el aporte energético de apoyo necesario para desarrollarse la reacción sería
cercano a 2,8 MW. Si además se tiene en cuenta que esta energía podría venir de la
combustión de un combustible fósil, estaríamos contaminando mediante la expulsión de CO2 a
la atmósfera.
En la oxidación total, las moléculas de COV se transforman en CO2 y H2O. Para romper las
moléculas COV y oxidar a dióxido de carbono y agua, que significa para superar la energía de
activación de esta reacción, se requiere una cierta cantidad de energía, por lo que la
temperatura de la corriente de aire que contiene moléculas de COV que debe elevar hasta un
cierto punto - típicamente superior a 760 ° C (Cooley, 2002).
El proceso descrito corresponde a una oxidación térmica convencional, la cual se produce
en presencia de un oxidante térmico (el oxígeno del aire normalmente) y con un sistema a alta
temperatura (por ejemplo, llamas directas, antorcha de plasma o calentamiento indirecto
mediante cámara térmica).
Una forma de reducir los costos de combustible es la oxidación catalítica. En este caso, la
misma reacción se produce en un lecho de catalizador y la barrera de energía de activación es
notablemente menor, por lo que la temperatura requerida es significativamente más baja –
comenzando normalmente a producirse la reacción en torno a 205 y 260 °C (Cooley, 2002).
Además, la presencia del catalizador posibilita una reacción más rápida, disminuyendo el
tiempo de reacción y por tanto el tiempo de residencia, pudiendo utilizar de este modo
equipos de menor volumen.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
Figura 2. Comparación Oxidación Térmica y Catalítica de COV.
Como puede verse en la imagen superior, la presencia del catalizador disminuye la energía
de activación necesaria para que se produzca la reacción de oxidación de los compuestos
orgánicos volátiles y de ese modo reduce la temperatura necesaria a alcanza.
Mediante el uso de un catalizador en el proceso de oxidación, la energía necesaria para
llevar a cabo el proceso puede reducirse hasta en un tercio con respecto a la energía en la
oxidación térmica.
3. Fundamento Teórico Oxidación Catalítica
Los Oxidantes catalíticos operan de una manera muy similar a los Oxidantes térmicos, con
la diferencia principal de que el gas, después de atravesar el área a alta temperatura, pasa a
través de un lecho de catalizador.
La Oxidación Catalítica se basa en la utilización de catalizadores que provocan o aceleran
las reacciones químicas que transforman los compuestos combustibles (sin participar
directamente ellos mismos), permitiendo que las reacciones ocurran a temperaturas mucho
más bajas que en otros sistemas, requiriendo un aporte energético menor y con un tiempo de
residencia más corto dentro del reactor.
Para llevar a cabo este proceso, se calienta una mezcla de la corriente de gas con aire u
oxígeno y se hace pasar por una capa catalizadora. Dicha capa incrementa la tasa de oxidación,
lo que posibilita la conversión a temperaturas de reacción más bajas que en unidades de
oxidación térmica convencional.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
El oxígeno y los COV emigran hacia la superficie del catalizador por medio de difusión
gaseosa y son adsorbidos en los centros activos del catalizador sobre la superficie de este,
donde de forma inmediata ocurre la oxidación.
Figura 3. Esquema Oxidación Catalítica COVs
Los productos de la reacción de oxidación a su vez son desorbidos de los centros activos
activos por el gas y transferidos de vuelta por difusión hacia la corriente gaseosa.
Al permitirse que la reacción de oxidación tenga lugar a temperaturas mucho más bajas
que en la oxidación térmica convencional, los costes de operación debidos al consumo
energético son muy inferiores a los de esta.
También se reducen los costes de equipos porque requieren una menor cantidad de
material aislante y los materiales de construcción son más baratos. Además, el tiempo
necesario para la puesta en marcha y parada de un equipo de oxidación catalítica es muy
inferior al de una oxidante a térmica debido a las respectivas temperaturas de funcionamiento.
Los factores de diseño de mayor importancia para la oxidación catalítica incluyen:
- La temperatura (una temperatura de funcionamiento lo suficientemente alta como
para oxidar el gas residual en el catalizador).
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
- El tiempo de residencia (tiempo de residencia suficiente en el lecho de catalizador para
que se produzca la reacción de oxidación).
- La turbulencia o mezcla de aire de combustión con el gas de desecho.
- La concentración de los gases combustibles a eliminar.
- Las características del catalizador.
- La presencia de agentes de enmascaramiento en el gas residual que puedan reducir la
eficacia del lecho de catalizador.
Figura 4. Oxidante Catalítico (Anguil Environmental Systems Inc.)
En un oxidante catalítico, la corriente de gas es introducida a una cámara de mezclado
donde también es calentada.
Comúnmente en la combustión catalítica se aprovecha el calor de los gases residuales que
salen previa eliminación de los COVs. El gas de desecho generalmente pasa a través de un
intercambiador recuperativo de calor donde es precalentado por un gas de post-combustión.
El gas calentado atraviesa posteriormente el lecho de catalizador.
Para reducir el consumo de combustible requerido para la oxidación, los oxidantes
catalíticos pueden tener alguna forma de recuperación de calor. El porcentaje de recuperación
de calor en el diseño de oxidantes catalíticos generalmente aumenta con la disminución de la
concentración de entrada de contaminantes combustibles.
La recuperación de calor puede ser o bien regenerativo o recuperativo. En la recuperación
de calor regenerativo, los gases de escape calientes y los gases fríos de entrada se pasan
alternativamente a través de un lecho fijo, normalmente empleando cerámica.
En la tecnología de calor por recuperación, se recupera calor haciendo pasar los gases de
escape calientes a través de un intercambiador de calor aire-aire sin contacto para calentar el
aire entrante para el oxidante.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
Un aumento de la temperatura también aumenta la velocidad de reacción ya que el nivel
promedio de la energía de las moléculas también aumenta y una mayor fracción poseerá la
energía de activación necesaria para la reacción. Sin embargo, los costes operativos
aumentarán y subproductos no deseados pueden formarse a altas temperaturas.
El uso de un catalizador ofrece una ventaja adicional, su selectividad, ya que a menudo
suprime la formación de subproductos de reacción. Esto resulta en un uso óptimo de los
reactivos y en una reducción de la corriente de desechos (Everaert y Baeyens, 2004).
La aplicación de un sistema de oxidación térmica o un sistema de oxidación catalítica sin
recuperador de calor en la actualidad es muy inusual. Pero es importante anotar, que la
economía de combustible es parcialmente compensada por el incremento en los costos del
mantenimiento de la operación (se requiere limpieza periódica del equipo y el reemplazo del
catalizador de forma periódica).
Los catalizadores experimentan una gradual pérdida de actividad por envejecimiento
térmico, ensuciamiento y erosión de sus superficies. Ciertos contaminantes venenosos, tales
como, fósforo, arsénico, antimonio, plomo y zinc, también causan la desactivación.
La oxidación catalítica no es recomendada para gases residuales que contengan
cantidades significativas de material particulado que no pueda ser vaporizado. La materia
particulada puede cubrir el catalizador rápidamente de manera que los centros activos del
catalizador están inoperativos y no pueden participar en la oxidación de los contaminantes en
la corriente de gas.
Este efecto de la materia particulada sobre el catalizador, con el paso del tiempo
desactivará el catalizador. Esto es debido a que toda la superficie activa del catalizador está
contenida en poros relativamente pequeños, donde puede alojarse la materia particulada
inhabilitando la entrada a ese poro y taponándolo (EPA, 1998: Environmental Protection
Agency - la Agencia para la Protección del Ambiente en EE. UU.).
No existen reglas generales con respecto a la concentración y tamaño de la materia
particulada que puede ser tolerada por los catalizadores, porque el tamaño de los poros y el
volumen de los catalizadores varían ampliamente.
3.1 Condiciones del Catalizador
Los catalizadores basados en los metales nobles Pt, Pd, Au y Ag son generalmente muy
buenos oxidantes. Los más utilizados en la oxidación de COVs son Pt y Pd (S. Scirè et al). Pero
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
aunque los metales nobles son muy activos y selectivos, la presencia de Cl2 en el medio de
reacción puede causar la desactivación de estos catalizadores. Además, la baja disponibilidad y
el elevado coste de estos metales, hace que sus aplicaciones sean reducidas.
Los catalizadores que se utilizan comúnmente son de metal -por ejemplo de platino,
paladio o rodio, sustentados en cerámica o metal- o metales base sustentados en pastillas de
cerámica, óxidos de metal sencillos o combinados, a menudo sustentados por un portador
fuertemente mecánico como, por ejemplo, óxidos de cobre, cromo, manganeso, níquel y
cobalto, entre otros.
La tendencia es a utilizar diversos tipos de óxidos metálicos (Gervasini et al.) tanto simples
(como el óxido de cromo) como mixtos (como las perovskitas). Para ambos tipos de
catalizadores la desactivación es uno de sus grandes inconvenientes. Por ejemplo, los óxidos
de cromo son muy activos, pero su aplicación se restringe a operar a temperaturas muy bajas
porque a altas temperaturas se forman oxicloruros de cromo, que además de desactivar el
catalizador son compuestos muy tóxicos.
Otro óxido muy utilizado como catalizador es el óxido de cerio. El problema de éste según
es que los óxidos de cerio no son estables térmicamente y se desactivan en pocas horas debido
a la fuerte adsorción de las especies HCl y Cl2 en el catalizador. No obstante, si se modifica el
CeO2 con otros óxidos metálicos, especialmente con ZrO2, mejora tanto la actividad catalítica
como su resistencia térmica.
Recientemente, también se han propuesto como catalizadores activos para la oxidación
de COVs catalizadores basados en zeolitas, obteniéndose unos resultados bastante
interesantes. La actividad de este tipo de catalizadores se atribuye principalmente a la elevada
acidez del material, aunque influyen también otros factores como la topología de la estructura
zeolítica.
Es posible mejorar la actividad de las zeolitas mediante la adición de otros elementos
como Fe, Mn o metales nobles como Pd y Pt, ya que estos metales están altamente dispersos
sobre la superficie del catalizador y sus propiedades redox mejoran la capacidad oxidativa del
catalizador. No obstante, la formación de coque y el ataque por cloro pueden llevan a la
desactivación de estos catalizadores. Por ello, sigue siendo necesario encontrar materiales
mucho más activos, selectivos y estables.
La presencia de venenos de los catalizadores en el gas residual puede repercutir
notablemente en su vida útil. Algunos ejemplos de venenos de los catalizadores son el azufre,
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
los halógenos, el zinc, el plomo, etc. Las corrientes de gas que contengan los contengan no
serán, por tanto, aptas para la oxidación catalítica (a menos que se extraigan estos venenos
tratando previamente la corriente de gas).
3.2 Método de Contacto entre el Catalizador y el gas contaminado
El método para hacer el contacto entre la corriente que contiene los COV y el catalizador
sirve para distinguir los sistemas de oxidación catalítica. Tanto los sistemas de lecho fijo como
los de lecho fluido son utilizados.
Los oxidantes catalíticos de lecho fijo pueden usar un catalizador monolítico o un catalizador
de lecho modular:
- Oxidantes de Catalizador Monolítico. El método más difundido para hacer contacto
entre la corriente que contiene los COV y el catalizador es el catalizador monolítico. En
este esquema el catalizador es un bloque sólido poroso que contiene canales paralelos
no intersectantes alineados en la dirección del flujo de gas. Los monolitos ofrecen las
ventajas de una atrición mínima debida a la expansión/contracción durante el
arranque/apagado y una baja caída de la presión total.
Figura 5. Catalizador monolítico
- Oxidantes Catalíticos de Lecho Empacado. Un segundo esquema para hacer contacto
es un lecho empacado sencillo en el cual las partículas de catalizador están sostenidas
ya sea en un tubo o en bandejas poco profundas a través de las cuales pasa el gas. Este
esquema no es muy empleado debido a su caída de presión inherentemente alta en
comparación a un monolito y el rompimiento de las partículas del catalizador debido a
la expansión térmica cuando el lecho encerrado de catalizador es calentado/enfriado
durante el arranque/apagado. Sin embargo, el oxidante tipo bandeja de un esquema
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
de lecho empacado, en donde el catalizador es granulado, es utilizado por varias
industrias. El catalizador granulado es ventajoso cuando están presentes grandes
cantidades de contaminantes tales como los compuestos de fósforo o silicio.
Figura 6. Catalizador de Lecho Empacado
Los Oxidantes catalíticos de lecho fluido tienen la ventaja de poseer velocidades muy altas
de transferencia de masa, aunque la caída de presión total es más bien mayor que la de un
oxidante monolítico.
Una ventaja adicional de los lechos fluidos es una alta transferencia del calor en
comparación a un coeficiente normal de transferencia de calor de gases. Esta mayor velocidad
de transferencia de calor para calentar los tubos de transferencia sumergidos en el lecho
permite mayores velocidades de liberación de calor por unidad de volumen de gas procesado y
por lo tanto, puede permitir que los gases de desecho con mayores valores de calentamiento
sean procesados sin exceder las temperaturas máximas permisibles en el lecho de catalizador.
En estos reactores el aumento de la temperatura de la fase gaseosa desde la entrada del
gas a la salida del gas es bajo, dependiendo del grado de transferencia de calor a través de las
superficies de transferencia de calor incrustadas en el lecho. Las temperaturas de los
catalizadores dependen de la velocidad de reacción ocurriendo en la superficie del catalizador
y la velocidad de intercambio de calor entre el catalizador y las superficies de transferencia de
calor incrustadas en el lecho.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
Como regla general, los sistemas de lecho fluido son más tolerantes a la materia
particulada en la corriente gaseosa que los catalizadores de lecho fijo o monolítico. Esto es
debido al roce constante de las partículas fluidizadas de catalizador entre sí, que ayudan a
remover la materia particulada hacia el exterior.
Una desventaja del lecho fluido es la pérdida gradual de catalizador por atrición. Sin
embargo, se han perfeccionado catalizadores resistentes a la atrición para superar esta
desventaja.
Las unidades de oxidación catalítica son muy versátiles y permiten operar en un amplio
intervalo de variables. En la tabla 2 se muestran algunos de estos valores.
Presión 1 atm Velocidad espacial, h-1 103-105
Concentración de reactivos, ppm 102-103 Reactivos Disolventes halogenados, hidrocarburos,
compuestos olorosos (aminas, mercaptanos, aldehídos), hidrocarburos
oxigenados (cetonas, ésteres) Temperatura, °C 25-500 Agente oxidante O2 en aire
Concentración de oxidante, %vol. 5-21 Tiempo de Residencia 0,1 – 2 seg
Tabla 2. Intervalo variables oxidación catalítica.
No obstante, para poder utilizar esta técnica a nivel industrial es necesario disponer de
catalizadores activos, selectivos, estables y baratos.
Dependiendo del COV a destruir, el sistema catalítico puede operar entre 205 C a 500⁰C y
con un tiempo de residencia de 0,1 seg, lo que contrasta con los sistemas térmicos que
operarían a 980⁰C para un tiempo de residencia tope de 2 seg.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
Figura 7. Oxidante Catalítico industrial
4. Usos Oxidación Catalítica
Los Oxidantes catalíticos pueden ser utilizados para reducir las emisiones provenientes de
una variedad de fuentes estacionarias.
Los procesos de evaporación de solventes asociados con las operaciones de recubrimiento
de superficies e imprenta son una fuente principal de emisiones de COV y como se ha
comentado la oxidación catalítica es utilizada ampliamente por muchas industrias en esta
categoría.
Los Oxidantes catalíticos también son utilizados para controlar las emisiones de las
siguientes fuentes:
• Ollas para el cocimiento de barnices;
• Hornos del núcleo de la fundición;
• Hornos para el procesamiento de papel filtro;
• Secadoras del barniz de la madera multilaminar;
• Estaciones de carga de gasolina en volumen;
• Válvulas de purga de proceso en la Industria Manufacturera de Químicos
Orgánicos Sintéticos (IMQOS);
• Productos de caucho y manufactura de polímeros; y
• Manufactura de resinas de polietileno, poliestireno y poliéster.
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
La oxidación catalítica es más adecuada para sistemas con menores volúmenes de escape,
cuando hay poca variación en el tipo y concentración de COV y cuando los venenos catalíticos
u otros contaminantes como el silicio, el azufre, los hidrocarburos pesados y la materia
particulada no están presentes.
Las aplicaciones típicas incluyen plantas de anhídrido maleíco, ftálico, tereftálico y otros
de síntesis orgánica, procesos de curtido y secado de polímeros , industrias que producen un
aire de salida contaminado con sulfuros, HCN, cloruros y CO, industria farmacéutica e industria
química.
4.1 Ventajas Oxidación Catalítica (EPA)
- Alta eficiencia a concentraciones de contaminantes muy bajas.
- Consumo de energía bajo.
- Pequeño tamaño de la unidad de depuración.
- Menores requisitos de combustible.
- Menores temperaturas de operación.
- Pocos o ningún requisito de aislamiento.
- Peligros de incendio reducidos.
- Problemas de flashback (ráfaga hacia atrás) reducidos.
- Menor volumen/tamaño requerido.
4.2 Limitantes Oxidación Catalítica (EPA)
- El fenómeno de envenenamiento.
- Sensibilidad térmica.
- Limitaciones de transferencia de masa.
- Costo inicial alto.
- Es posible el envenenamiento del catalizador.
- El material particulado seguido debe ser removido primero.
- El catalizador usado que no pueda ser regenerado pudiera necesitar ser desechado.
Los Oxidantes catalíticos ofrecen muchas ventajas siempre que la aplicación sea apropiada.
Sin embargo, la selección de un oxidante catalítico debe ser considerada cuidadosamente, ya
que la sensibilidad de los Oxidantes catalíticos a las condiciones del flujo de la corriente de
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
entrada de los COV y la desactivación del catalizador limitan su aplicabilidad para varios
procesos industriales.
5. Convertidor Catalítico en Coches
El convertidor catalítico o catalizador es un componente del motor de combustión
interna alternativo y Wankel que sirve para el control y reducción de los gases nocivos
expulsados por el motor de combustión interna. Se emplea tanto en los motores de gasolina o
de ciclo Otto como más recientemente en el motor diésel.
Consiste en una malla cerámica de canales longitudinales revestidos de materiales nobles
como Platino, Rodio y Paladio, situado en el escape, antes del silenciador.
Los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) antes de ser expulsados por
el escape, son convertidos en dióxido de carbono y vapor de agua. Los óxidos de nitrógeno
(NOx) son disociados en Nitrógeno molecular (N2), principal constituyente de aire atmosférico,
y oxígeno O2. Para que estas reacciones de disociación se produzcan ha de estar el catalizador
a una temperatura de 500⁰C.
Catalizador de doble vía
En un catalizador de doble vía, usado mayormente en el motor diésel, ocurren dos
reacciones simultáneas:
1. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2
2. Oxidación de hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados a dióxido de
carbono y agua:
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O
Este tipo de catalizadores se usan en motores diesel ya que trabajan con exceso de
oxígeno, generando unas tasas muy altas de Óxidos de Nitrógeno incompatibles con el metal
noble que los disocia.
En estos motores el NOx se elimina con la recirculación de gases de escape.
Catalizador de triple vía
En un catalizador de triple vía ocurren tres reacciones simultáneas:
1. Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno: 2NOx → xO2 + N2
Oxidación Catalítica Contaminantes Gaseosos
2. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2
3. Oxidación de hidrocarburos no o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua:
CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.
La oxidación de los inquemados se da en presencia de platino, mientras que el proceso de
oxidación del monóxido de carbono y la reducción de N2 se da en presencia de rodio, u otros
catalizadores como circonio o paladio, más baratos que el rodio, pero menos eficientes.
En esta segunda fase la reacción real es 2CO + 2NO → 2CO2 + N2
Estos catalizadores pertenecen a los motores de ciclo Otto ya que la proporcIón de NOx es
mucho menor que en los diesel, al no trabajar con exceso de oxígeno.
6. Bibliografía
Cooley R., Burning Questions – Catalytic Oxidation Q and A, Environmental Protection.
2002.
Gervasini et al., Applied Catalysis B: Environmental, 38 (2002) 17.
J.A. Mendoza Roca et al., “Ciencia y tecnología del medio ambiente”, SPUPV-
98.292, España.
K. Everaert, J. Baeyens, Catalytic combustion of volatile organic compounds, Journal of
Hazardous Materials, Volume 109, Issues 1–3, 18 June 2004, Pages 113-139, ISSN 0304-
3894.
K. Everaert, J. Baeyens, Catalytic combustion of volatile organic compounds, Journal of
Hazardous Materials, Volume 109, Issues 1–3, 18 June 2004, Pages 113-139, ISSN 0304-
3894.
Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, http://www.magrama.gov.es.
Neus Blanch Raga. “Eliminación catalítica de compuestos orgánicos clorados en corrientes
gaseosas”, 2014, España.
S. Scirè et al., Applied Catalysis B: Environmental, 40 (2003) 43.].
Tecnología de Control de Contaminantes del Aire. EPA-452/F-03-018