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Prestazioni di un catalizzatore


Le prestazioni di un catalizzatore devono essere valutate considerando diversi aspetti, tra i quali i due principali solo l’ attività e la selettività.
L’ attività può essere espressa in vari modi: può essere espressa in termini di velocità di reazione di un catalizzatore, in termini di turnover frequency (TOF) e in termini di conversione.

- La velocità di reazione è la variazione delle concentrazioni delle specie coinvolte (che può essere positiva o negativa, a seconda che si tratti dei reagenti o dei prodotti) in funzione del tempo (t), per un processo discontinuo, o in funzione del tempo spaziale (τ), per un processo continuo

Per altro se stiamo parlando di catalisi ci riferiamo non al volume del reattore ma ci interessa in volume occupato dal catalizzatore. Questo parametro si può esprimere anche in assenza del catalizzatore.

- Il TurnOver Frequency (TOF) è un parametro che può essere calcolato solo in presenza di un catalizzatore e può essere calcolato in diversi modi a seconda del tipo di catalizzatore.
• Un modo abbastanza semplice è di considerare le moli di reagente trasformate nel prodotto desiderato rispetto alle moli di catalizzatore rispetto al tempo:
mol reag trasf/mol cat x t
Questa definizione è soprattutto utilizzata in catalisi omogenea, ma può essere usata anche in catalisi eterogenea sebbene in modo più approssimativo.
 
• L’altra definizione può essere invece usata per la catalisi eterogenea: le moli di reagente che si trasformano nel prodotto rispetto al numero di siti attivi nel tempo
molecole reag trasf/numero di siti attivi x t
Quando si parla di siti attivi necessariamente stiamo parlando di catalisi eterogenea.

• Oppure possiamo esprime tutto come le moli di reagente trasformate nel prodotto rispetto al tempo e rispetto al catalizzatore espresso in grammi
mol reag trasf/g cat x t
Vale sia per la catalisi omogenea che eterogenea.

- Conversione: questo parametro può essere calcolato in presenza di un catalizzatore, ma anche quando non è presente. Quello che ci si augura è che il catalizzatore aumenti la conversione, che viene definita come il rapporto tra le moli di reagente trasformate e le moli di reagente alimentate
mol reag trasf/mol reag alim

Quindi maggiore è l’attività del catalizzatore, maggiore è la quantità di reagente trasformato o per unità di tempo, o per unità di tempo spaziale, quindi per unità di volume del catalizzatore. Perciò avere un catalizzatore con un’alta velocità mi permette di avere molto prodotto in meno tempo (per i processi discontinui) o con volumi di catalizzatore inferiori (nei processi continui). Inoltre avere una attività maggiore può voler dire che non devo lavorare in condizioni molto estreme e quindi posso lavorare in condizioni più blande per avere la stessa produzione di prodotto.
La selettività è l’altro parametro fondamentale perché normalmente il catalizzatore permette la trasformazione più veloce dei reagenti, ma se producono più velocemente qualcosa di indesiderato, non ho guadagnato nulla, quindi devo riuscire a trovare un catalizzatore che selettivamente favorisca la reazione desiderata. Il parametro da considerare è la selettività, che originariamente è un rapporto tra velocità ossia
Velocità formazione prodotto desiderato/ velocità scomparsa reagente
Siamo abituati a calcolarla come rapporto tra moli di prodotto ottenuto e reagente reagito
mol prodotto desiderato formate/ mol reagente reagite
però in realtà tutto deriva dal fatto che ci sia un rapporto tra velocità.
Come per l’attività, anche all’aumentare della selettività miglioro le cose perché significa che ho bisogno di meno reagente per ottenere la stessa quantità di prodotto desiderato, inoltre diminuisco anche i costi di separazione e purificazione del prodotto e di trattamento dei sottoprodotti.

Oltre a questi due parametri ce se sono altri che non devono essere assolutamente trascurati, per esempio la durata di un catalizzatore. Infatti non basta che un catalizzatore sia attivo e selettivo se poi si deteriora nel giro di poco tempo. La durata si esprime in tempo di vita (min, h, anni…) prima che si disattivi (minuti nel caso del cracking catalitico, due anni nel caso dell’acido solforico).
L’altro modo di esprimere la durata è il TurnOver Number (TON) che è legato con il TOF di prima.
Quindi possiamo esprimerlo come:
- Moli reagente trasformate in prodotto/mol cat prima che il catalizzatore si disattivi
- Molecole di reagente trasformate in prodotto/numero siti attivi prima che il catalizzatore si disattivi
- Mol reagente trasformate in prodotto/g cat prima che il catalizzatore si disattivi

Il TOF era la frequenza, quindi c’era il tempo, qua invece ci sono le stesse quantità di prima ma non compare il tempo al denominatore: TOF = TON/t.
Una maggior durata si traduce in minor costi relativi alla sostituzione del catalizzatore esausto (perdita di produzione per la fermata degli impianti) e costi più bassi per la rigenerazione del materiale esausto e/o l’acquisto di nuovo materiale. È vero anche che la durata non è infinita per cui a un certo punto devo rigenerare il catalizzatore, quindi posso recuperarlo e trattarlo per ottenere una forma attiva come prima, perciò è molto importante anche la facilità di rigenerazione del catalizzatore una volta esausto, allo scopo di prolungarne la durata e di ridurre i problemi di smaltimento.
Altri parametri importanti sono la tossicità che deve essere la più bassa possibile (per evitare pericoli soprattutto per chi ci lavora nelle fasi di carico e scarico e per un basso impatto ambientale nelle fasi di stoccaggio e smaltimento) e anche il prezzo.

Tutti questi diversi aspetti devono essere considerati tutti assieme per poter valutare un catalizzatore. Vediamoli ora dal punto di vista della Green Chemistry.

Tratto da PROCESSI INDUSTRIALI ECOSOSTENIBILI di Laura Marongiu
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