Catalizzatori migliori per l'industria petrolifera

Le zeoliti sono sostanze in grado di accelerare le reazioni chimiche - sono note come catalizzatori. Di solito si presentano sotto forma di pellet e sono indispensabili nella produzione industriale di benzina o di olio combustibile dal petrolio grezzo. Le reazioni chimiche avvengono sulla loro superficie. Nel caso delle zeoliti, queste sono ampie: i catalizzatori sono intervallati da nano-pori e da canali microscopicamente piccoli attraverso i quali i partner di reazione liquidi possono penetrare e i prodotti di reazione possono uscire di nuovo.

Uno dei problemi principali nell'uso industriale dei catalizzatori di zeolite è che i sottoprodotti della reazione intasano i pori o bloccano i siti attivi dei catalizzatori. Gli esperti chiamano tali depositi di idrocarburi depositi di coke. Il processo di produzione deve quindi essere interrotto a intervalli regolari per bruciare i depositi sui catalizzatori e rigenerarli. Ciò riduce l'efficienza della reazione.

Tutto dipende dalla struttura interna

Gli scienziati stanno quindi lavorando per rendere i catalizzatori di zeolite più resistenti a tali depositi, ritardando così la necessità di rigenerazione e allungando i cicli di produzione. I ricercatori dell'ETH, guidati da Javier Pérez-Ramírez, professore di ingegneria della catalisi, hanno ora scoperto in che misura la struttura interna di una nuova classe di catalizzatori di zeolite complessa con pori di diverse dimensioni sia legata a questa resistenza: "Non è una questione di avere il maggior numero possibile di pori, come si pensava in precedenza", afferma Sharon Mitchell, scienziato del gruppo di Pérez-Ramírez. "Piuttosto, è di fondamentale importanza che il sistema di cavità microscopicamente sottili all'interno dei catalizzatori di zeolite sia fortemente reticolato e abbia numerose aperture verso l'esterno", consentendo ai composti chimici di penetrare meglio all'interno del catalizzatore e di reagire sulla superficie allargata.

I ricercatori sono giunti a questa conclusione producendo in laboratorio catalizzatori di zeolite con diverse strutture di pori. A tal fine, hanno variato i metodi di produzione e le condizioni di sintesi. Hanno poi analizzato i catalizzatori utilizzando la spettroscopia del tempo di vita dell'annichilazione di positroni (PALS) in collaborazione con Paolo Crivelli, scienziato del Dipartimento di fisica. Questa tecnica viene utilizzata per analizzare il tempo di permanenza dei positroni introdotti nel campione. Più i pori sono reticolati e più numerose sono le aperture, più velocemente i positroni sfuggono all'esterno. Gli scienziati hanno anche testato i vari catalizzatori di zeolite in laboratorio per vedere quanto velocemente formano depositi di coke.

Non solo meglio, ma anche più economico

"È interessante notare che il metodo con cui siamo riusciti a produrre le zeoliti più resistenti è anche il più economico", afferma Pérez-Ramírez. Egli si aspetta che i risultati dello studio, pubblicati sulla rivista scientifica "Nature Communications", incoraggino l'industria ad adattare i processi di produzione delle zeoliti.

I catalizzatori a base di zeolite sono oggi utilizzati su larga scala nell'industria petrolifera per produrre carburanti di alta qualità, combustibili e materiali di base per l'industria chimica. Da un lato, le molecole a catena lunga del petrolio greggio possono essere convertite in molecole di valore superiore a catena media. Dall'altro lato, le zeoliti possono essere utilizzate per combinare sottoprodotti di raffineria di bassa qualità con catene di idrocarburi molto corte, come l'etene e il propene, per ottenere prodotti di qualità superiore di media lunghezza.

"Anche se il petrolio grezzo viene gradualmente sostituito dalla biomassa come importante prodotto chimico di partenza, i catalizzatori di zeolite manterranno la loro importanza", afferma Pérez-Ramírez. I catalizzatori di zeolite potrebbero essere utilizzati per produrre in modo efficiente materie prime chimiche di alta qualità.