INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

TÓPICOS DE NUEVOS MATERIALES CATALÍTICOS

DAVID MACIAS FERRERG86070090

Presenta:

ALÚMINA

Generalidades

Alúmina es un oxido anfótero de Aluminio cuya fórmula química es Al2O3

Fig. 1 Oxido de Aluminio1

Generalidades El oxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón.

Ciertas piedras preciosas, como el rubí, el zafiro, son formas de alúmina coloreadas por indicios de óxidos de metales pesados.

Fig. 2 Rubí2

Fig. 3 Zafiro3

Fig. 4 Corindón4

Generalidades El oxido de aluminio fundido y vuelto a cristalizar es idéntico en sus propiedades químicas y físicas al corindón natural. Solo le superan en dureza al diamante y algunas sustancias sintéticas, concretamente el carborundo o carburo de silicio.

Fig. 5 Alúmina5

Estructura Cristalina

Fig. 6 Estructura Cristalina de la Alúmina6

Propiedades7 Alúmina (99.8% de pureza)

Propiedades Térmicas Magnitud

Capacidad calorífica específica 860 J/kg-°K

Conductividad térmica 30 W/m-°K

Expansión térmica 20 @ 1000°C 8.2 µm/m-°K

Punto de recocido 2100 °C

Temperatura máxima de uso continuo 1700 °C

Propiedades Físicas Magnitud/Descripción

Densidad 3.92 g/cm3, or 244 lb/ft3

Apariencia Sólido blanco

Olor Inodoro

Estructura cristalina Trigonal

Dureza Vickers 1500-1650 kgf mm²

Propiedad Mecánicas Magnitud

Módulo de compresibilidad 220 GPa, or 31 106 psi

Resistencia a la compresión 2700 MPa, or 390 103 psi

Modulo de Young 370 GPa, or 53 106 psi

Resistencia a la flexión 380 MPa, or 55 103 psi

Resistencia a la fractura 4.5 MPa-m1/2

Radio de Poisson 0.22

Módulo de cizallamiento 180 GPa, or 26 106 psi

Resistencia a la tracción (último) 170 MPa, or 24 103 psi

Propiedades (Cont.) Alúmina (99.8% de pureza)

Propiedades (Cont.) Alúmina (99.8% de pureza)

Propiedades Eléctricas Magnitud

Constante dieléctrica (Permitividad relativa) Bajo rango Mhz

9.8

Resistencia dieléctrica 8.6 MV/m, or 210 V/mil

Resistividad eléctrica 12 10x Ω-m

Propiedades Químicas y Electroquímicas Magnitud/Descripción

Entalpía estándar de formación −1675.7 kJ·mol−1

Entropía molar estándar 50.92 J·mol−1·K−1

Resistividad eléctrica 12 10x Ω-m

Solubilidad en agua Insoluble

Propiedades (Cont.) Alúmina (99.8% de pureza)

Propiedades Físicas como Soporte Catalítico

Magnitud

Superficie específica 100-300 cm3/g-1

Volumen de poros 0.4-0.5 cm2/g-1

Tamaño de poros 6-40 nm

Fig. 7 Imagen (SEM) ,tomada de

Nature Materials8

Tipos de Alúminas Alúmina Activada o Adsorbente

La alúmina activada es una forma porosa y adsorbente que se produce calentando los hidratos a cierta temperatura, suficiente para expulsar la mayor parte del agua combinada. Es necesario regular el calentamiento, pues si la temperatura es demasiado alta no se obtiene la extensión máxima de superficie

Fig. 8 Alúmina activada, comercialmente su precio

oscila entre los $1000 y $1500 USD por tonelada9

Alúmina Activada o Adsorbente (Cont.)

La alúmina activada es un material con buenas propiedades de adsorción de fluoruros del agua y constituyen el material adsorbente mas usado para este fin. Los tipos muy adsorbentes o alúminas activadas se expanden en forma granular y de tabletas de tamaño apropiado para lechos catalizadores fijos La magnitud de su superficie depende del método de preparación y del grado de activación. Las formas comerciales tienen entre 100 y 400m2 de área por gramo. Algunas alúminas activadas tienen resistencia excepcional al calor y conservan su área a 800°C. Esta clase de alúmina tiene actividad para muchas otras reacciones; por ejemplo: la descomposición pirogenada (cracking), isomerización, deshidrogenacion, desfluoración y desulfuración. Los óxidos de molibdeno, cromo y vanadio que impregnan la alumina activada son buenos catalizadores de la deshidrogenacion. Los metales de actividad catalítica, como el níquel, el Hierro, cobalto y platino, se emplean con soporte de alumina con el fin de elevar su potencia de hidrogenación y de síntesis.

-Alúmina

Esta variedad de alúmina tiene multitud de aplicaciones en la industria y se producen diversas calidades conforme la necesidad. Uno de los caracteres notables de la -Alúmina es su dureza, 9 de la escala de Mohs; por consiguiente, puede servir bien como abrasivo. Entre otras aplicaciones de la -Alúmina son de mencionar su empleo para lechos en el tratamiento de aceros especiales de aleación, como fundente en la fusión de aceros especiales, componente de vidrios de poca dilatación térmica y de vidriados para porcelana y como materia prima para la fabricación de porcelanas dentales

Fig. 9 -Alúmina 10

Alúmina Tabular

La alúmina tabular es una variedad porosa de poca área, que conserva su porosidad a temperaturas comprendidas en el intervalo de fusión de la alúmina. En vista de su gran estabilidad, se recomienda como portador de agentes activos en reacciones en que no es necesaria gran superficie. Las reacciones de oxidación son de esta índole; por ejemplo: se puede convertir naftaleno en anhídrido ftálico sobre alúmina o algún catalizador con soporte de alúmina.

Fig. 10 Alúmina Tabular11

Alúmina Tabular (Cont.)

Bolas de alúmina tabular calentadas a alta temperatura por combustión superficial se usan en el cracking térmico de gases de hidrocarburos para la obtención de olefinas.

La alúmina tabular se prepara calentando alúmina calcinada por el proceso Bayer, a temperatura no mucho menor del punto de fusión, y tiene la forma cristalina del corindón. Se obtiene en tamaños que varían desde terrones de unos 25mm hasta polvo pasado por el tamiz numero 300.

Se usan también como portador de catalizadores cuando es indispensable la estabilidad a altas temperaturas

Otros tipos de Alúminas

PURALOX y CATALOX, son marcas registradas para los óxidos de Aluminio: -Alúmina, -Alúmina y -Alúmina, derivados de la activación controlada de alúminas altamente puras.

Este tipo de alúminas, proveen una excelente actividad catalítica específica, mayor aérea superficial, mayor estabilidad, además de una baja pérdida por desgaste.

Fig. 11 -Alúmina, -Alúmina y -Alúmina 12

Preparación de Alúmina13

La alúmina se obtiene a partir de la Bauxita, mineral que contiene principalmente hidróxidos de Aluminio.

La Bauxita es purificada a través del proceso Bayer, que consiste en la disolución de ésta en una base como la sosa cáustica, cal y agua.

En el proceso de separación el hidróxido de Aluminio precipita, Luego se calcina hasta eliminar la humedad obteniéndose así la alúmina como un polvo blanco.

1° La bauxita se transporta desde la mina al lugar de transformación (cerca de puertos, ya que la mayoría se importa).

2° Se tritura y muele hasta que queda pulverizada.

3° Se almacena en silos hasta que se vaya a consumir.

4° En un mezclador se introduce bauxita en polvo, sosa cáustica, cal y agua caliente. Todo ello hace que la bauxita se disuelva en la sosa.

5° En el decantador se separan los residuos (óxidos que se hallan en estado sólido y no fueron atacados por la sosa).

6° En el intercambiador de calor se enfría la disolución y se le añade agua.

7° En la cuba de precipitación, la alúmina se precipita en el fondo de la cuba.

8° Un filtro permite separar la alúmina de la sosa.

9° La alúmina se calienta a unos 1200°C en un horno, para eliminar por completo la humedad.

10° En el refrigerador se enfría la alúmina hasta la temperatura ambiente.

Alúmina como Catalizador y Soporte para Catalizadores

La alúmina cataliza una gran variedad de reacciones a escala industrial.

En el proceso Claus* (empleado en la obtención del Azufre), se usa como catalizador, para convertir los gases residuales de sulfuro de hidrógeno en azufre elemental.

También es útil para la deshidratación de alcoholes a alquenos.

Alúmina sirve como un soporte de catalizador para muchos catalizadores industriales, tales como los utilizados en la hidrodesulfuración y en algunos procesos de polimerización.

* Patentado en 1883 por el científico Carl Friedrich Claus

Alúmina como Catalizador y Soporte para Catalizadores (Cont.)

A escala industrial, empresas como Yixing Yipu Catalyst Co.,Ltd, proveen una serie de productos de alúmina que son ampliamente usados como soportes para catalizadores.

Fig. 12 Soportes de Alúmina14

Alúmina como Catalizador y Soporte para Catalizadores (Cont.)

A nivel de laboratorio, se pueden preparar los soportes para catalizadores por el método de impregnación, por ejemplo:

Catalizador de deshidrosulfuración

Se obtiene por mezclado y aglomeración o por impregnación, sobre alúmina se superficie elevada. Al salir de la calcinación puede tener 12.2% MoO3, 2.5% CoO y 85.3% Al2O3, con un volumen de poros de 0.6cm3/g que se impregnan con 14.9g de paramolibdato de amonio y 9.9 Kg de Co(NO3)2 6H2O disueltos cada uno en el volumen necesario para dar 51 lts. De solución. La operación se realiza en dos etapas; se hacen dos impregnaciones, primero con los 51 l de paramolibdato, se seca y posteriormente con la solución de nitrato de cobalto se calcina y compacta. La activación se hace mediante sulfuración en el reactor15.

Investigaciones Recientes

En el 2006 el investigador japonés Toshihiko Osaki, publica: “Highly Functional Catalyst For Purification Of Industrial Exhaust Gases - Low Tempe”16, donde muestra el desarrollo de un catalizador tipo cryogel compuesto por platino soportado por alúmina, para remover metano del aire por oxidación.

Fig. 13 Soportes de Alúmina Cryogel16

Fig. 12 Actividad de la Oxidación de Metano con y sin el catalizador Cryogel Pt/Alúmna16