Estudio de regeneración de catalizadores carbonosos mesoestructurados después de su uso en la reacción de descomposición de metano

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 agravan el problema del cambio climático por la emisión de gases de efecto invernadero. Una alternativa es la utilización del hidrógeno, por ser un combustible limpio y versátil. Sin embargo, presenta la limitación de conseguir un método de obtención sin emisiones (durante el cual no se emita CO2, como ocurre con el reformado de hidrocarburos con vapor, el método de producción industrial de hidrógeno más extendido en la actualidad) y económicamente competitivo. Por estas razones, resulta atractivo el estudio de la descomposición térmica de metano en hidrógeno y carbono. Este proceso consiste en una reacción endotérmica que requiere altas temperaturas de operación (>1100 ºC). Sin embargo, utilizando diferentes tipos de catalizadores (metálicos o carbonosos), se consigue reducir notablemente esta temperatura (500-1000 ºC). En la actualidad se están investigando la aplicación de algunos materiales carbonosos en la reacción de descomposición termocatalítica de metano (DTCM). A pesar de que muestran una actividad inicial más baja que los catalizadores basados en metales de transición, los materiales carbonosos mesoestructurados tienen la ventaja de una resistencia mucho mayor a la desactivación por deposición del carbono subproducto 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. Las propiedades más determinantes en la actividad catalítica de un material carbonoso son las propiedades texturales (área superficial y tamaño y volumen de poro), la química superficial (especialmente la presencia de grupos funcionales oxigenados en la superficie del catalizador) y la estructura cristalina del catalizador, siendo los más activos los que presentan un grado más alto de desorden molecular por la mayor cantidad de sitios activos. Uno de los materiales carbonosos que reúne mejores propiedades para la catálisis de la reacción de DTCM, es el carbón mesoestructurado tipo CMK-5. Su estructura mesoporosa perfectamente definida, el desorden de sus capas moleculares y el tamaño de poro, del rango de los mesoporos, le confieren una actividad muy superior a la del resto de catalizadores carbonosos y una mejor resistencia a la desactivación que la de los carbones comerciales habituales. A pesar de ser un buen catalizador en la reacción de DTCM, el CMK-5 sufre una pérdida de sus propiedades texturales debido a la deposición del carbono subproducto de la reacción. Por ello, el presente proyecto de investigación pretende estudiar la regeneración de estos catalizadores. Con este fin se propone la aplicación de un tratamiento químico consistente en dos etapas. En primer lugar, se realiza una modificación oxidativa de la superficie del catalizador con peróxido de hidrógeno a diferentes concentraciones, y a continuación se aplica una reactivación química con KOH en distintas proporciones. Para poder optimizar las variables del tratamiento, se caracterizaron los materiales carbonosos CMK-5 (el original, el empleado en la reacción de DTCM durante 6 horas y las muestras sometidas a los distintos tratamientos) con diferentes técnicas de caracterización con el objeto de conocer su estructura, sus propiedades texturales y su composición química. Los resultados obtenidos muestran que el tratamiento de regeneración química con H2O2 y KOH provoca un ataque preferente de los agentes reactivantes sobre el carbono depositado durante la reacción de DTCM, de forma que se preserva la estructura mesoporosa de los materiales carbonosos y se recupera parcialmente el área superficial y la distribución bimodal del tamaño de poro del CMK-5 original. Para estudiar la actividad como catalizadores, se realizaron ensayos catalíticos de las muestras tratadas a diferentes concentraciones de H2O2, y a distintos ratios de KOH/CMK-5, cuyos resultados muestran que el tratamiento que mejor recupera la actividad catalítica del material carbonoso es la oxidación con H2O2 al 30%, seguida de la reactivación con KOH con una proporción de 4/1. Por último, se ha aplicado el tratamiento óptimo, anteriormente descrito, a muestras de material carbonoso CMK-5 que han sido utilizadas como catalizadores en la reacción de DTCM durante largos períodos de tiempo (16 y 32 horas). Se han observado efectos beneficiosos de este tratamiento en relación a la recuperación de área superficial y de actividad catalítica, aunque no alcanzan los resultados obtenidos al aplicar este mismo tratamiento a muestras que han sido utilizadas en la reacción de DTCM durante 6 horas.