Catalizadores de alta actividad a baja temperatura para la producción de gas natural sintéctico

Abstract

El exceso de emisiones de CO2 atmosférico y otros gases de efecto invernadero (GEI), debido al uso intensivo de las fuentes energéticas de origen fósil, están provocando un descontrolado aumento de la temperatura mundial poniendo en riesgo la salud de los seres vivos y el medioambiente. Este excedente puede ser mitigado mediante la transición global a un sistema energético sostenible a partir de la implementación de fuentes de energías renovables. En la actualidad existen técnicas que permiten reutilizar el CO2 atmosférico para transformarlo en gas natural mediante la reacción de Sabatier: el concepto “power-to-gas”. Este proceso comienza con el aprovechamiento del excedente de energía eléctrica para la obtención de H2 mediante electrólisis del H2O y su posterior mezcla con el CO2 captado de la atmósfera. Para favorecer la producción de CH4 de manera óptima y evitar la producción de productos no deseados, se desarrolla y estudia la aplicación de distintos tipos de catalizadores variando las condiciones en el interior del reactor. Este trabajo se ha centrado en proponer un catalizador formado por un sistema ternario: rutenio (Ru), como agente activo; óxido de cerio (CeO2), como promotor; y alúmina (ү-Al2O3), como soporte; que optimice la reacción de Sabatier al ser aplicado en un reactor que se encuentra en condiciones críticas, es decir, a baja temperatura y alta concentración de CH4. Ambas condiciones reducen la cinética de la reacción y de aquí la relevancia de proponer un catalizador con alta actividad. Se estudió la actividad de diferentes catalizadores con composiciones variables de Ru, CeO2 y ү-Al2O3 para unas condiciones de operación de 5 bar y rangos de temperatura de 25°C que oscilaron desde los 200°C a los 300°C. Los resultados de conversión del CO2 para los distintos catalizadores mostraron que la conversión a baja temperatura se veía favorecida con la adición del promotor, alcanzando una conversión alrededor del 20% en comparación con la baja actividad producida por los catalizadores que solo contaban con el agente activo. Por otro lado, se comprobó que un exceso de Ru y CeO2 perjudica la actividad del catalizador debido a la obstrucción de los poros. La caracterización de los catalizadores permitió justificar su funcionamiento a través de la densidad aparente, el área superficial (método Brunauer, Emmett y Teller, BET) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Se comprobó que aumentaba tanto la densidad y disminuía el área del catalizador al adicionar una mayor cantidad de los componentes del sistema ternario. También se obtuvieron imágenes del SEM en la que se mostraron cómo se había dado la impregnación en los distintos catalizadores. A partir de este trabajo experimental se concluyó que el catalizador óptimo a bajas condiciones de temperatura en este trabajo es el que contiene 4%Ru25%Ce. Si este catalizador se compara con el catalizador óptimo sintetizado en estudios previos, 16%Ni23%Ce, y un catalizador de Ni comercial de referencia, se observa que el catalizador propuesto en este estudio es más activo para las condiciones exigidas.