Producción de hidrógeno por descomposición catalítica de metano con catalizadores carbonosos en un reactor de lecho fluidizado

Abstract

En la actualidad se plantea la necesidad de un cambio de modelo energético mundial debido a la elevada dependencia que existe con respecto a los combustibles fósiles cuya utilización, además de agravar el problema del cambio climático por la emisión de gases de efecto invernadero, es de carácter limitado. En la búsqueda de alternativas respetuosas con el medio ambiente cabe destacar la importancia del hidrógeno por tratarse de un combustible limpio y versátil. La limitación en el empleo de este vector energético es conseguir un método de obtención renovable a través del cual no se emita CO2 (gas de efecto invernadero subproducto del reformado de hidrocarburos con vapor de agua, principal método de producción de hidrógeno en la actualidad) y que resulte económicamente competitivo. Por las razones indicadas, resulta atractivo el estudio de la reacción de descomposición de metano para producir hidrógeno y carbono. Se trata de una reacción endotérmica que requiere elevadas temperaturas (> 1200 ºC) y un importante aporte de energía. Precisamente con el objetivo de reducir la temperatura de reacción necesaria, se emplean catalizadores metálicos y carbonosos que consiguen disminuirla a valores comprendidos entre 500 y 1000 ºC. En la actualidad, se está investigando la aplicación de algunos materiales carbonosos como catalizadores en la reacción de descomposición catalítica de metano (DCM). A pesar de que este tipo de materiales muestran una actividad inicial más baja y operan a temperaturas más elevadas que los catalizadores basados en metales de transición, tienen la ventaja de una resistencia mucho mayor a la desactivación por deposición del carbón producto de la reacción. Este carbón depositado podría permitir incluso, que la reacción resulte autocatalítica. Además, si el producto carbonoso que se obtiene es comercializado a un precio adecuado, el proceso podría ser ventajoso económicamente. En esta línea de investigación, en el presente proyecto se ha realizado el estudio del efecto de diferentes valores de temperatura de reacción y diferentes concentraciones de metano alimentado en la reacción de DCM, empleando como reactor un lecho fluidizado y como catalizador un negro de carbono comercial (black pearls 2000, CBbp) de la casa comercial Cabot Corp. Concretamente, se ha realizado un seguimiento de los compuestos que van apareciendo a lo largo de la reacción así como un estudio de las conversiones de metano obtenidas en los diferentes casos. Los estudios de la actividad catalítica se llevaron a cabo mediante el reactor automatizado Microactivity-Reference. Se comprobó, que para todas las temperaturas de ensayo se obtuvieron las mayores concentraciones de hidrógeno y pese a las menores conversiones de metano para alimentaciones con un 40 % de metano, obteniéndose en todos los casos resultados muy similares para alimentaciones del 10 y del 20 %. Respecto al efecto de la temperatura, se observa que para todos los porcentajes de metano estudiados, a medida que ésta aumenta, la proporción de hidrógeno y la conversión de metano aumentan al verse más favorecida la reacción. Por otra parte, se ha determinado la energía de activación de la reacción llevada a cabo con una alimentación del 40 % de metano en inerte, para poder compararla posteriormente con valores bibliográficos obtenidos para el mismo tipo de catalizador. Todas las muestras de catalizador utilizadas se caracterizaron antes y después de ser sometidas a reacción con el objetivo de estudiar el efecto de la temperatura y composición de la alimentación en la estructura, propiedades texturales y composición química superficial del catalizador. Mediante Difracción de Rayos-X (DRX), se concluye que a mayor porcentaje de metano introducido en el reactor, mayor es el grado de cristalinidad del carbón. A través del análisis de adsorción-desorción de N2, se puede afirmar que conforme aumenta el porcentaje de metano alimentado el carbón que se va depositando puede penetrar o incluso bloquear la estructura porosa produciendo una disminución de la superficie micro y mesoporosa del catalizador. Mediante Microscopía de Transmisión de Electrones (TEM), se puede observar que a medida que se incrementa la cantidad de metano se produce una mayor agregación de las partículas por deposición del carbón producido. Finalmente, a través del análisis termogravimétrico (TG) se ve que al aumentar tanto la temperatura como el metano alimentado aumenta el carbón depositado y por lo tanto la pureza y la temperatura de combustión de la muestra.