Producción de hidrógeno a través de la gasificación de glucosa usando catalizadores de γ-Al2O3 con Ni, Ce y La e interpretación de resultados usando un modelo No-estequiométrico

Abstract

La situación energética y medio ambiental hace que la generación de energía mediante sistemas basados en energías renovables tome cada vez mayor relevancia. Dentro de las distintas energías alternas la biomasa es una gran opción, ya que es considerada un recurso renovable debido a su bajo contenido de azufre y emisiones de 𝐶𝑂2. De los diferentes procesos que son utilizados para la conversión de biomasa, su gasificación para producir hidrogeno se realiza con un balance cero de carbono. El hidrógeno es un vector energético cuya combustión es limpia, además de que tiene un elevado poder calorífico debido a que su densidad energética es la más grande de todos los combustibles. Por esto se deben sintetizar catalizadores que maximicen la cantidad de hidrógeno producido, los catalizadores basados en níquel son más activos por lo que resultan efectivos en la producción de hidrógeno, mientras que incrementan la relación 𝐻2𝐶𝑂2⁄ lo que mejora la calidad del gas de síntesis. En este trabajo se sintetizaron catalizadores de níquel soportado sobre gama alúmina (5%Ni/γ-Al2O3), níquel y promotores de cerio y lantano soportados sobre gama alúmina (5%Ni-X%La/γ Al2O3 y 5%Ni-X%Ce/γ Al2O3, donde X=0.5, 1 y 2%), los cuales se caracterizaron con las técnicas de difracción de rayos X, absorción atómica, determinación de área superficial por BET, distribución de tamaño de partícula y microscopia de barrido electrónico. Estos materiales se probaron en el reactor CREC-Riser Simulator. Se estudio el efecto de las variables tiempo de reacción de 5,10,20,30 y 40s, relación vapor biomasa de 0.5 1 y 1.5, carga del promotor cerio o lantano para ambos con los valores 0.5, 1 y 2% en peso, manteniendo constante la carga del níquel de 5% y el pH de síntesis de los catalizadores con promotor de 1 y 4. Los resultados indican una disminución del área superficial de los catalizadores impregnados con metales (114-130 m2/g) con respecto al área del soporte gama alúmina (197 m2/g), con respecto a los experimentos térmicos o no catalíticos, el uso del catalizador con níquel (5%Ni/-Al2O3) permitió obtener incrementos de 30% y 36%, en las fracciones mol de H2 y CO2 respectivamente. Con respecto a los resultados con níquel, la adición del promotor de lantano permitió obtener, en el mejor de los casos (5%Ni-2La/γ-Al2O3-pH1) un incremento del 9% en la fracción mol de H2, lo que indica el efecto positivo de la presencia del lantano. Por otra parte, cuando se hicieron varias inyecciones sin que se regeneraran los catalizadores de cerio y lantano se obtuvieron resultados semejantes, lo que indica que estos promotores no tienen mucha influencia en la estabilidad del catalizador, ya que no se desactivaron. El uso de este tipo de catalizadores sin regenerar puede significar una gran promesa tecnológica ya que evitan los gastos de oxidación y de reducción. El efecto de las variables tiempo de reacción y relación vapor biomasa (S/B), en la relación de H2/CH4 indica que la mayor producción de H2 se obtiene con 30 segundos de reacción y S/B=1. Para interpretar los resultados se usó un modelo no-estequiométrico. Se ejecutó con el software Aspen Plus el cual consistió en un reactor de rendimiento (RYIELD) unido en serie a un reactor de equilibrio (RGIBBS). La comparación de los resultados del modelo con los datos experimentales indico que el modelo describe correctamente las tendencias de los perfiles de fracción mol de los diversos compuestos con la temperatura, para las relaciones S/B=1 y 1.5. La propuesta de modelos termodinámicos permite interpretar los resultados experimentales y generar las bases de diseño de un reactor para gasificación de biomasa.