Evaluación de la influencia de las bajas cargas de lantano o cerio en los catalizadores con 5% Ni/γ-Al2O3 para la producción de hidrógeno por gasificación de glucosa y modelamiento cinético del sistema reaccionante

Abstract

Gran parte de la demanda mundial de energía se satisface hoy en día utilizando combustibles fósiles, que son una fuente de energía en declive, además de que causan problemas ambientales. Es urgente revisar alternativas, como la gasificación de biomasa para producir hidrógeno, la cual enfrenta los problemas de disponer de un reactor optimizado a mayor escala y de catalizadores adecuados que permitan hacer más eficiente el proceso. En este trabajo se estudiaron ocho catalizadores fluidizables de Ni promovidos con lantano (La) y cerio (Ce) soportados en γ-Al2O3 sintetizados por un método sencillo de co impregnación por reducción directa a 480 °C (atmósfera libre de oxígeno). La promoción de los catalizadores se efectuó variando La y Ce entre 0.5 y 1.0 % en peso, así como el pH de la solución de impregnación (pH 1 y 4). Los catalizadores se caracterizaron utilizando BET, XRD, AA, TPR, TPD, quimisorción de H2, TEM-EDX y FTIR. El desempeño de los catalizadores se probó en un reactor fluidizado CREC Riser Simulator, utilizando: a) glucosa, b) 600 °C, c) relación vapor / biomasa (S/B) de 1, d) catalizador / biomasa (C/B) relación de 3.2 y e) 20 s de tiempo de reacción. El lantano reportó fracciones molares de hidrógeno mayores que las obtenidas con cerio y la diferencia es significativa con respecto a los catalizadores de 5%Ni/-Al2O3 (no promovidos). Se demuestra que cargas bajas de 0.5 % de lantano, en particular el catalizador 5Ni0.5La1, reportan una gran reducción de la deposición de coque y tienen un buen funcionamiento en términos de la gasificación de glucosa. Para todas las cargas de cerio y lantano, el efecto del pH es significativo, donde el pH 1 favorece la producción de hidrógeno. Los datos obtenidos se analizaron mediante ANOVA para evaluar el efecto del tipo y carga del promotor y el pH de la solución de impregnación de los catalizadores de 5% en peso de Ni y 0.5 a 1% en peso de La o Ce en γ-Al2O3, preparados con un pH de 1 y 4 de solución de impregnación, obteniéndose fracciones molares de hidrógeno de 0.53 a 0.56, las cuales son cercanas a los valores reportados de equilibrio termodinámico (González Castañeda, Sánchez Enríquez, Cruz Reyes, Hernández, & Serrano Rosales, 2019). Con el análisis estadístico se demuestra que las fracciones molares CO, CH4, y H2 son influenciadas por el pH de la solución y las cargas del promotor y para las fracciones molares de CO2 solo por el tipo de promotor. Comparando con nuestro trabajo previo (González Castañeda, D. G., et al.2019), donde se usó 2% de Ce - 5% en peso de Ni / γ- Al2O3, la mayor producción de hidrógeno fue obtenida con catalizadores con cargas menores de promotores, particularmente 5Ni0.5La1, que permitió una reducción de 39% de coque depositado sobre el soporte. Este rendimiento prometedor se atribuyó a la disminución de la acidez media del catalizador reportada por NH3-TPD, áreas específicas grandes (∼140 m2/g) y a la buena dispersión de metal de 9% asociada con pequeños cristales de níquel de 9 a 10 nm y probablemente a la presencia de compuestos LaONO3·xLa2O3 reportada por otros autores durante su descomposición térmica.