Síntesis de catalizadores de Fe-Mo soportados sobre sílice para la oxidación selectiva de metano hasta formaldehído

Synthesising Fe-Mo catalysts supported on silica for the selective oxidation of methane to formaldehyde

Materiales de hierro-molibdeno soportados sobre sílice fueron obtenidos por el método sol-gel para evaluar su actividad catalítica en la reacción de oxidación selectiva de metano hasta formaldehído. Este método permite obtener un área superficial extensa y una alta dispersión de los metales sobre la superficie amorfa de la sílice. Se prepararon siete (7) catalizadores, uno del soporte de sílice, otro con carga de Fe 0,5% sin molibdeno, y los otros cinco (5) con la misma carga de Fe 0,5% pero con cargas variables de molibdeno entre 0,1-1,0% en peso. Las mayores áreas BET fueron del orden de 830 y 879 m2.g-1 para los catalizadores 2 (Fe0,5%-Mo0%) y 4 (Fe0,5%-Mo0,3%), con porcentajes promedio de 28% de microporosidad y 47% de mesoporosidad. La difracción de rayos X confirma la estructura amorfa de los catalizadores. El espectro TPR mostró bajo consumo de hidrógeno, atribuido a la ausencia de especies aisladas de Fe y Mo. El análisis ESCA registró la misma relación atómica Fe/Mo en la superficie del catalizador como en el bulk. La actividad catalítica es determinada a presión atmosférica, con mezcla de reacción CH₄/O₂/N₂ =7.5/1/4, intervalo de temperatura 400-800 °C. Los catalizadores 4 (Fe0,5%-Mo0,3%), 5 (Fe0,5%-Mo0,5%) y 7 (Fe0,5%-Mo1,0%) presentan la mayor conversión de metano, mientras los catalizadores 5 (Fe0,5%-Mo0,5%), 4 (Fe0,5%-Mo0,3%), 2 (Fe0,5%-Mo0%) y 7 (Fe0,5%-Mo1,0%) dan los mejores resultados de producción de formaldehído. Para el catalizador 4 (Fe0,5%-Mo0,3%), la mayor conversión (4,07 mol%) se presenta a 700 °C. A esta temperatura la producción de formaldehído es de 202,0 g_HCHO.kg^-1cata.h^-1.

Introducción

La oxidación selectiva de metano (MSO) para obtener formaldehído como producto de mayor valor agregado, ha sido de gran interés en las últimas décadas por razones económicas y por los efectos ambientales del metano en el calentamiento global (Guerrero, 2007).

El gas metano es una materia prima de gran potencial en muchos países, tanto como combustible fósil proveniente de pozos de gas y asociado a la producción petrolera, o como biogás resultante de  los sistemas de tratamiento anaeróbico de aguas residuales y de residuos sólidos de origen doméstico e industrial (Guerrero, 2006).

El formaldehído se produce por oxidación catalítica de metanol en fase de vapor, siendo uno de los productos químicos más importantes a nivel mundial por su bajo costo, alta pureza y la amplia gama de aplicaciones, en especial para la producción de resinas termoestables, principalmente resinas fenólicas, de urea, y melamina que son utilizadas como adhesivos y aglutinantes en la industria (Guerrero, 2008).

El principal objetivo de la reacción MSO está en producir formaldehído en una sola etapa y no en las tres que considera la costosa etapa de reformado de metano (Herman, 1997):

1. CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
2. CO + 2H₂ → CH₃OH 
3. CH₃OH + O₂ → HCHO