Estudio de la modificación de catalizadores de Ni-soportados para la producción de hidrógeno por reformado con vapor de etanol

Abstract

El presente proyecto forma parte de la línea de investigación desarrollada en el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos sobre producción y almacenamiento de hidrógeno. Desde el siglo XX hasta la actualidad la dependencia de la energía y a partir de ella de los combustibles fósiles se ha hecho cada vez más acusada. Este tipo de combustibles cuentan con numerosos inconvenientes como su contribución al deterioro del medioambiente, que junto con el agotamiento paulatino de las reservas de los mismos, alertan de la necesidad de investigar alternativas energéticas. Aparece pues el concepto de un sistema ecológico limpio basado en el hidrógeno como combustible alternativo para impedir el deterioro ambiental y disminuir el uso de recursos fósiles. Tiene como ventaja que es el elemento más abundante de la naturaleza y que al utilizarlo como soporte de energía no genera productos que contaminen el medio ambiente, es por tanto que tendrá suma importancia en la sustitución de los combustibles fósiles. Es de interés investigar métodos de producción de hidrógeno basados en el empleo de materias primas no fósiles o en procesos renovables para eliminar el inconveniente de la producción de CO2 como producto. Los alcoholes parecen una buena opción como materia prima para la producción de hidrógeno ya que se descomponen fácilmente con el agua por reformado de vapor generando mezclas ricas en hidrógeno. En particular el etanol es una alternativa muy interesante ya que puede obtenerse de manera renovable a partir de la biomasa y de este modo cerrar el ciclo del carbono, no produciendo más CO2 del que absorbió la biomasa. Es por ello que en este proyecto se ha realizado un estudio de diversos catalizadores para la obtención de hidrógeno mediante el reformado de etanol con vapor de agua. Se seleccionó níquel como fase activa y se emplearon dos tipos de soportes, sílice comercial y el material mesoporoso SBA-15, en base a estudios bibliográficos y ensayos previos realizados en el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de esta universidad. Este tipo de catalizadores presentan una considerable deposición de coque, por lo que se han modificado estos sistemas catalíticos mediante la incorporación de una serie de agentes dopantes, Ca y Ba para conferir alcalinidad y, Ce y Zr, elementos que gracias a sus propiedades redox proporcionan una mayor resistencia a la deposición de coque. Los catalizadores sintetizados se caracterizaron mediante difracción de rayos X (DRX), análisis textural BET, ICP-AES, reducción térmica programada (TPR), y termogravimetría (TG). Esta caracterización tiene por objeto conocer el contenido y composición de la fase metálica del catalizador, su estructura, distribución de la fase activa, sus propiedades texturales y composición de coque en los catalizadores usados Los estudios previos determinaron que la temperatura más adecuada para llevar a cabo las pruebas de actividad catalítica era de 600 ºC, por lo que los ensayos se realizaron a dicha temperatura. La caracterización realizada puso de manifiesto que la incorporación de elementos dopantes a los soportes, tanto a sílice comercial como al material mesoporoso SBA-15, modifica las propiedades de los catalizadores de Ni soportados, disminuyendo ligeramente el valor de las propiedades texturales, aumentando la interacción níquel-soporte y cambiando el tamaño de cristal de la fase activa en función del agente dopante, destacando el efecto dispersante del níquel al incorpora Ca a los soportes. Por otro lado, el efecto del agente dopante dependió del soporte empleado, pero en líneas generales la incorporación de Ca, Ba, Ce o Zr conduce a una mayor actividad catalítica, aumentando la producción de hidrógeno y mejorándose la relación CO2/CO. Aumento de parámetros que sobretodo se cuantificó al incorporar dichos elementos al soporte SBA-15. En cuanto al empleo de SBA-15 o sílice comercial como soporte de catalizadores de Ni se observa que al emplear sílice, a pesar de la obtención de menores tamaños de cristal y una menor deposición de coque, las selectividades hacia productos principales (H2 y CO2) son menores y presentan una desactivación más pronunciada a lo largo del tiempo.