Producción de Hidrógeno por Descomposición Catalítica de Metano en un Lecho Fluidizado empleando Catalizadores tipo CMK

Abstract

En la actualidad se plantea la necesidad de un cambio en el modelo energético mundial debido a la excesiva dependencia de los combustibles fósiles cuyas reservas son limitadas y su uso como fuente de energía agrava el problema del cambio climático por la emisión de gases de efecto invernadero. El empleo de hidrógeno está adquiriendo un gran interés por tratarse de un combustible limpio y versátil. Sin embargo, no es una fuente de energía primaria siendo necesaria su producción a partir de compuestos que lo contienen como el gas natural, hidrocarburos ligeros o el agua. La vía tradicional y más empleada actualmente para la obtención de hidrógeno es el reformado de hidrocarburos con vapor de agua, proceso que presenta, entre otros características, la emisión de cantidades importantes de CO2 cuyo secuestro y captura suponen un elevado coste adicional. Una posible alternativa al reformado es la descomposición térmica de metano. Este proceso, aunque permite la producción de hidrógeno sin la emisión de CO2, requiere de altas temperaturas de operación (> 1100 ºC). Sin embargo, utilizando catalizadores se consigue reducir notablemente estos requerimientos energéticos. La descomposición térmica empleando catalizadores se denomina Descomposición Catalítica de Metano (DCM) y los catalizadores más utilizados han sido los basados en metales de transición. En los últimos tiempos se está investigando la aplicación de materiales carbonosos que presentan una actividad inicial más baja que los catalizadores metálicos pero tienen la ventaja de ser más resistentes a la desactivación por deposición del carbono co-producto de la reacción. Además, existe la posibilidad de que el carbono depositado pueda tener una salida comercial o incluso que permita que el proceso sea autocatalítico. De todos los materiales carbonosos estudiados hasta ahora, los carbones mesoestructurados tipo CMK se presentan como una alternativa prometedora. La estructura porosa perfectamente definida, su carácter desordenado y el tamaño de poro medio, superior al de los carbones activos y negros de carbono, le confieren a estos catalizadores una actividad muy superior y una mejora de la resistencia a la desactivación frente a los carbones comerciales habituales. Siguiendo esta línea de investigación, en el presente proyecto se ha evaluado la actividad catalítica de los carbones mesoporosos CMK-3 y CMK-5 y del negro de carbono Vulcan como catalizadores en la DCM empleando un reactor de lecho fluidizado como sistema de reacción. De esta manera, se ha determinado el efecto de la temperatura de reacción, de las condiciones fluidodinámicas y de las propiedades texturales de los catalizadores empleados. Para ello, se ha realizado el seguimiento de los caudales de los diferentes compuestos que son productos o subproductos de la reacción y de las conversiones de las distintas reacciones implicadas en la DCM. Mediante estos estudios se comprobó que durante la primera etapa del proceso las condiciones fluidodinámicas en el interior del sistema son las que determinan el rendimiento a hidrógeno de la DCM. Una vez superada esta etapa, los cambios morfológicos y estructurales que sufren los catalizadores por la deposición del carbono co-producto hacen que se pase de lecho fluidizado a lecho fijo, momento en el que se hace apreciable cómo el CMK-5 presenta mayor actividad catalítica que el CMK-3, pues al tener un doble sistema poroso presenta mayor área superficial, mayor concentración de centros activos y en consecuencia mayor actividad catalítica. Respecto al efecto de la temperatura se observa que un aumento de la misma mejora el rendimiento a hidrógeno del proceso, aunque trabajar a temperaturas demasiado elevadas reduce ligeramente la producción de hidrógeno por los cambios en la densidad y tamaño de las partículas a los que se ven sometidos los catalizadores. Por otra parte, empleando el negro de carbono Vulcan se hizo una comparativa entre lecho fijo y fluidizado concluyéndose que el lecho fijo no es un sistema de reacción adecuado para DCM debido al taponamiento que sufre el lecho por la deposición del carbono co-producto. Finalmente, se determinó la energía de activación de la reacción tanto para el CMK-3 como para el CMK-5 en la DCM observándose que son mucho menores que las correspondientes a las de los carbones comerciales. Paralelamente a los ensayos catalíticos, los catalizadores tras reacción fueron caracterizados mediante Difracción de Rayos X, análisis de adsorción-desorción de N2, Microscopía de Transmisión de Electrones, análisis termogravimétrico y análisis elemental con el objetivo de conocer su estructura, sus propiedades texturales y su composición química superficial. De esta manera se pudo concluir que los materiales carbonosos tras reacción son más cristalinos, sufren cambios estructurales y morfológicos, pierden área superficial y su distribución de tamaños de poro original, tienen una temperatura de combustión más elevada, son más estables térmicamente y cuentan con menos grupos superficiales, viéndose todos estos efectos acentuados al aumentar la temperatura de los ensayos catalíticos. Con la realización del presente trabajo de investigación se ha comprobado que la Descomposición Catalítica de Metano, utilizando como sistema de reacción un lecho fluidizado, es una interesante alternativa para la producción de hidrógeno sin emisiones de CO2. Además, el empleo de catalizadores basados en materiales mesoestructurados tipo CMK, en concreto el CMK-5, permite llevar a cabo el proceso durante mayores tiempos de reacción debido a que su estructura porosa perfectamente definida y su carácter desordenado hacen que no se produzca el rápido bloqueo de sus poros por la deposición del carbono co-producto de la reacción, mejorando los resultados obtenidos cuando se emplean carbones microporosos como catalizadores.