L’ossidazione catalitica è un processo in cui avviene l’ossidazione di un composto tramite l’uso di un opportuno catalizzatore. E’ considerata una delle strategie più promettenti per la rimozione dei composti organici volatili che contribuiscono in modo determinante alla formazione di inquinanti secondari e smog fotochimico dai flussi di rifiuti industriali.
Le reazioni di ossidazione catalitica hanno una grande importanza in campo industriale e se ne annoverano molteplici esempi in cui i composti di partenza possono essere sia organici che inorganici e la catalisi può essere sia di tipo omogeneo che eterogeneo.
Esempi di ossidazione catalitica di tipo eterogeneo
Un esempio è l’ossidazione dell’ anidride solforosa con formazione di anidride solforica che viene poi utilizzata per la produzione dell’acido solforico.
La reazione 2 SO2 + O2 → 2 SO3 che avviene in presenza del ossido di vanadio (V) deve essere condotta in un range di temperatura tra i 400 e i 620°C. Infatti a temperature inferiori V2O5 è inattivo mentre a temperature maggiori tende a decomporsi.
Altre reazioni di ossidazione catalitica di tipo eterogeneo sono:
- Il processo Ostwald in cui l’ammoniaca viene ossidata ad acido nitrico
Alla temperatura di circa 600°C l’ammoniaca viene fatta reagire con l’ossigeno in presenza del platino che agisce da catalizzatore secondo la reazione:
4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
Il monossido di azoto prodotto viene fatto reagire a una temperatura di circa 50°C con l’ossigeno e avviene una seconda ossidazione:
2 NO + O2 → 2 NO2
Il biossido di azoto viene infine convertito ad acido nitrico secondo la reazione:
3 NO2 + H2O → NO + 2 HNO3
- Il processo Claus in cui il solfuro di idrogeno è ossidato a zolfo elementare
Alla temperatura di circa 1400°C il solfuro di idrogeno è fatto reagire con l’ossigeno in presenza dell’ossido di vanadio (V) che agisce da catalizzatore secondo la reazione:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O
Nel secondo stadio della reazione l’anidride solforosa ottenuta reagisce con il solfuro di idrogeno secondo una reazione di comproporzione:
2 H2S + SO2 → 3 S + 2 H2O
Esempi di reazioni di ossidazione catalitica di tipo omogeneo
- Il processo Wacker in cui l’etene è trasformato in etanale
L’etilene reagisce con ossigeno per ottenere l’etanale in presenza di cloruro di platino (II) e cloruro di rame (II) che agiscono da catalizzatori secondo la reazione:
2 CH2=CH2 + O2 → 2 CH3CHO
- Il processo Amoco in cui il p-xilene è trasformato in acido tereftalico
Il p-xilene è fatto reagire con ossigeno per ottenere acido tereftalico in presenza di cloruro di cobalto e di cloruro di manganese che agiscono da catalizzatori
Catalizzatori
Tra i catalizzatori utilizzati nell’ossidazione catalitica vi è l’ossido di cromo particolarmente attivo per la rimozione dei composti organici volatili alogenati. Il catalizzatore di ossido di cromo è efficace nella rimozione di tetracloruro di carbonio, clorometano, tricloroetilene, cloruro di etile, clorobenzene e percloroetilene. Tuttavia, l’elevata tossicità del cromo causa seri problemi di smaltimento del catalizzatore.
L’ossido di manganese è tra i catalizzatori attivi a basso costo per l’ossidazione dei composti organici volatili ed è utilizzato come catalizzatore per la distruzione di molte di queste specie come n-esano, benzene, etanolo, toluene, acetone, propano e NOx.
L’ossido rameico è anche un catalizzatore altamente attivo per l’ossidazione di monossido di carbonio, metano, metanolo, etanolo e acetaldeide, ed è anche usato per catalizzare l’ossidazione del metanolo in formiato di metile e del propilene in acroleina.
I catalizzatori a base di vanadio originariamente progettati per la rimozione degli ossidi di azoto si sono dimostrati attivi nella distruzione di vari inquinanti policlorurati.