Producción de hidrógeno por reformado de etanol sobre catalizadores ni/sba-15 preparados por síntesis directa

Abstract

Este trabajo de fin de carrera se ha desarrollado en los laboratorios del Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos. El hidrógeno está tomando fuerza como sucesor de una economía basada en los combustibles fósiles, por ello, se están llevando a cabo numerosos estudios para conseguir mayores eficiencias en las alternativas que se conocen para conseguir hidrógeno. Uno de los métodos es el reformado de etanol con vapor de agua, empleado en este trabajo, que cuenta con la ventaja de la disponibilidad de bioetanol que se puede conseguir con facilidad a partir de la fermentación de biomasa. Esto es importante ya que así no se utilizan combustibles fósiles, por lo que no se introduce más volumen al ciclo del carbono. Se ha utilizado como catalizador el níquel, ya que tiene buenas propiedades para favorecer la reacción y su coste es mucho menor que el de los metales nobles. Se ha utilizado como soporte de dicho metal sílice con estructura mesoporosa tipo SBA-15, formado por canales longitudinales distribuidos hexagonalmente. Se elige el material SBA-15 por tener una alta superficie específica de unos 600 m2/g, que hace que con una misma cantidad de níquel se pueda tener mucha más superficie con actividad catalítica, que favorezca la reacción. Las condiciones de operación han sido presión atmosférica y temperatura de 600ºC, optimizadas en un estudio anterior. Este estudio se ha centrado en modificar ciertas variables del método de síntesis directa del catalizador Ni/SBA-15 y comprobar de qué modo influye en los resultados de la reacción de reformado para producir hidrógeno. Los parámetros que se han variado son la cantidad de metal, el momento de adicción del metal, el compuesto precursor del níquel y el pH. Una vez sintetizado cada catalizador se han estudiado sus propiedades por medio de distintas técnicas de caracterización. Las técnicas utilizadas para caracterizar los materiales, han sido: ICP-AES (espectroscopía de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente), isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno (análisis textural), TPR (reducción térmica programada), TG (termogravimetría) y DRX (difracción de rayos X). Aplicando estas técnicas a los materiales sintetizados, se han determinado cantidades de níquel entre el 1 y 7%, así como, áreas específicas y diámetros de poro en torno a los 600 m2/g y los 80Å, respectivamente. Con los datos obtenidos sobre los materiales estudiados, se ha comprobado que, las mejores condiciones de síntesis de catalizadores para la reacción de reformado de etanol, son, por un lado los sintetizados a un pH de 0,5, que favorece la formación de la estructura SBA-15 y un pH de 3,5 en la etapa de envejecimiento para maximizar la cantidad de níquel incorporada en el material; Los mejores resultados se han obtenido para los catalizadores que contienen un porcentaje de 6% en níquel y para lo que se necesita una concentración del metal en el gel de síntesis de 15 veces la teórica; El cloruro de níquel ha producido mejores resultados al utilizarlo como precursor del metal activo en la síntesis, ya que producía una alta incorporación de metal y buenos resultados catalíticos; Por último el orden de mezcla de los reactivos, ha revelado que añadiendo el precursor de níquel y posteriormente el de silicio, se consiguen resultados tan buenos como para la secuencia inversa, si bien la primera puede tener aplicaciones finales más interesantes. Este catalizador ha obtenido una conversión de etanol mayor de 99% así como una distribución de productos hacia el hidrógeno de cerca del 60%. Los catalizadores preparados en otras condiciones presentaban menores cantidades de níquel incorporado lo que provoca que disminuya la conversión de etanol y la selectividad hacia hidrogeno, obteniéndose grandes cantidades de productos intermedios como acetaldehído y metano.