Análisis de permeabilidad de membranas compuestas Pd-PSS mediante ensayos de permeación

Abstract

En la actualidad, aproximadamente el 80% de la demanda energética mundial proviene de los combustibles fósiles, generando una serie de problemas medioambientales entre los que destaca el cambio climático. De este modo, se requiere un desarrollo controlado, que procure proteger y preservar el entorno que nos rodea, tanto desde un punto de vista físico como social. Esta búsqueda de un crecimiento económico acorde con el medio ambiente recibe el nombre de desarrollo sostenible. Como consecuencia de esto, surge la necesidad de establecer un nuevo sistema energético en el que el hidrógeno debe tener un papel relevante. Para ello, es cada día más evidente la necesidad de establecer y optimizar procesos para la producción y purificación del hidrógeno. En este contexto, los procesos de purificación basados en el uso de membranas, especialmente compuestas de paladio, están considerados una de las tecnologías más prometedoras para la obtención de hidrógeno de alta pureza, siendo su principal ventaja el menor consumo energético que suponen con respecto a los procesos clásicos (destilación criogénica y PSA). No obstante, para que la aplicación industrial de este método sea viable las membranas deben cumplir una serie de requisitos, siendo los más relevantes la consecución de elevados flujos de permeado, elevado grado de separación y la necesidad de una alta calidad de los materiales de la membrana, que deben ser resistentes a las condiciones de operación a las que son sometidos. Un método que permite la determinación de la viabilidad de una membrana respecto a su aplicación industrial, permitiendo analizar el comportamiento real de la misma frente al hidrógeno, es su caracterización mediante ensayos de permeación. El presente proyecto de investigación está destinado al estudio de membranas de paladio con distintas características desde este punto de vista. De este modo, se pretende determinar si ciertas membranas sintetizadas en otros trabajos de investigación dentro de la misma línea, cumplen las condiciones necesarias para considerar posible su aplicación industrial. Al mismo tiempo, se pretende evaluar la influencia que tienen sobre el proceso determinadas características del sistema membrana-soporte, así como variables relacionadas con el propio ensayo. Concretamente, se ha analizado el efecto de factores como la porosidad del soporte, las interfases presentes, la composición de la fase selectiva, la temperatura del ensayo y la fuerza impulsora aplicada (diferencia de presión). Para el desarrollo de estos ensayos de permeación, se emplearon temperaturas entre 350-500ºC y valores de fuerza impulsora entre 0,5-4 bar. Por otro lado, el tiempo de estabilización se fijó en 15 minutos y el caudal de gas alimento empleado fue de 50mL/min para el N2 y de 200mL/min para el H2, demostrando que el valor de esta variable no afecta a los flujos de permeado obtenidos. Durante el desarrollo de estos ensayos se analizaron membranas de características muy diversas para evaluar su comportamiento en relación a la permeación de gases. De esta forma, se determinó que el empleo de membranas compuestas por una capa de paladio depositada directamente sobre el soporte, precisa de elevados espesores para conseguir un factor de separación aceptable al paso del hidrógeno, lo que limita el valor de los flujos obtenidos. Por esta razón, se estudiaron otra serie de membranas que incluían una interfase inorgánica entre el paladio y el soporte para intentar solventar este inconveniente. Una alternativa fue la introducción de una interfase de óxidos mixtos Fe-Cr mediante calcinación del soporte. El empleo de temperaturas elevadas (800ºC) para su obtención provoca la obstrucción de los poros del soporte, restringiendo así el paso de los gases, lo que ocasiona bajos flujos aunque permite la deposición de una capa continua de paladio y factores de separación elevados. Sin embargo, temperaturas de calcinación inferiores (550ºC), generan poca cantidad de óxidos de manera que las piezas se comportan como un soporte carente de interfase y capa selectiva. Por otro lado, la introducción de silicalita-1 como barrera intermetálica permite una adecuada modificación del soporte y la obtención de una capa densa de paladio. Sin embargo, la temperatura de los ensayos de permeación a los que fue sometida provoca la ruptura de la capa, obteniéndose unos bajos factores de separación. Además, se estudiaron una serie de membranas compuestas de aleaciones del tipo PdAg y PdCu. Los análisis reflejaron la inestabilidad de las mismas, ya que debido a las condiciones del ensayo sufren modificaciones estructurales y variaciones en la composición de la aleación. Esto repercute negativamente sobre los datos de permeación obtenidos, dando lugar a bajos flujos de permeado y factores de separación. Por último, se ajustaron los resultados obtenidos a las ecuaciones propuestas por la bibliografía que relacionan los flujos de permeado con la presión y la temperatura. En todos los casos estudiados se observó una mayor importancia del mecanismo de Knudsen sobre el de solución-difusión, lo que indica que la capa de paladio no es continua y presenta defectos o poros en su superficie. Respecto a la temperatura, se confirmó la obtención de mayores flujos conforme aumenta la temperatura. Esto es debido a la mayor energía adquirida por las moléculas, así como por la endotermicidad del proceso de difusión.