Producción de CH4 mediante hidrogenación de CO2 usando catalizadores basados en Ni soportados sobre carbón biomórfico

Se ha investigado reacción de metanación de CO2 sobre catalizadores de Ni modificados Mg y/o Ce, con soportados en carbón biomórfico. Estos catalizadores se han preparado usando una técnica de mineralización biomórfica que incluye una etapa de descomposición térmica en una atmósfera reductora, de celulosa previamente impregnada con los precursores (nitratos) metálicos. El estudio de la composición química, estructura, morfología y textura de las muestras se ha llevado a cabo mediante diferentes técnicas de caracterización como fisisorción de N2, difracción de rayos X, análisis termogravimétrico con aire y microscopía electrónica de transmisión. Además, para optimizar la productividad y selectividad de la reacción, se ha estudiado el efecto de las principales condiciones de operación (temperatura de la reacción y composición de la alimentación), en condiciones de elevada velocidad espacial (60.000 h-1). Por otro lado, la estabilidad del catalizador se ha medido a lo largo 8h a 325 ᵒC. Un resultado notable obtenido es que la adición del promotor de Ce ha aumentado la superficie BET, la microporosidad del catalizador y la dispersión de Ni sobre la superficie del soporte carbonoso. Como consecuencia, se han mejorado las prestaciones (conversión de CO2, selectividad a CH4 y estabilidad) durante la reacción. Se ha obtenido que el catalizador Ni-MgCe/BC es el más activo de CO2 a 350 ᵒC, alcanzando un 68,7% de conversión de CO2 y una selectividad de CH4 del 93,5%, lo que da un rendimiento a CH4 del 64,2%.<br /

Determinación de coeficientes de transferencia de materia en emulsiones estabilizadas por nanohíbridos tipo NTC/Soporte

El proyecto fin de carrera que se describe a continuación se enmarca dentro del proyecto de investigación "Desarrollo de nanohíbridos tipo Me-NTC-Soporte para nuevos procesos catalíticos de transferencia de fase". Uno de los objetivos del proyecto de investigación es el modelado del sistema catalítico de reacción "nanohíbrido-emulsión" en reactores semicontínuos de mezcla perfecta. Como reacción test se ha elegido el refino catalítico de los líquidos procedentes de la pirolisis de la biomasa. Más en concreto, se ha estudiado la hidrogenación de la vainillina en una emulsión agua-decalina tipo “pikering” (i.e. estabilizada por partículas sólidas) formada por nanohíbridos Me-NTC-Soporte. Estas partículas sólidas, además de favorecer la formación de la emulsión, actúan como catalizador selectivo en la reacción test seleccionada. El objetivo principal de este PFC es desarrollar un modelo matemático que describa los fenómenos de transferencia de materia que ocurren en las reacciones descritas anteriormente

Simulación mediante fluidodinámica computacional de reacciones catalíticas en fase gas llevadas a cabo en termobalanza

Simulación mediante fluidodinámica computacional (CFD) de una termobalanza que opera como reactor catalítico en una reacción de descomposición de hidrocarburos y producción de materiales carbonosos e hidrógeno. Se simulan diversos soportes para el catalizador y se analiza la influencia de la posición del soporte en el transcurso de la reacción. Se identifican los factores críticos que afectan al sistema y se plantean diversas mejoras al mismo

Desarrollo de catalizadores de Pd-Sn/Al2O3 Para la eliminación de nitratos en corrientes acuosas

El aumento en la contaminación por nitratos y nitritos durante los últimos años en las aguas superficiales y subterráneas, debido principalmente a la industria, la agricultura y la ganadería intensivas, ha hecho necesaria una revisión de la legislación Europea. Se ha abierto las puertas a nuevos procesos de eliminación de estos contaminantes que supongan una alternativa práctica y económica, a los actuales procesos biológicos que existen en las plantas de depuración de aguas residuales. Uno de los procesos con mayor expectativa es la reacción de Reducción Catalítica Selectiva de Nitratos (RCSN), un proceso de hidrogenación en fase acuosa que reduce los nitratos a nitrógeno gaseoso a través de varias etapas. La formación de nitrógeno molecular entra en competencia con la formación de amonio (subproducto indeseable), por lo que se hace necesaria la búsqueda de un catalizador activo, estable en forma acuosa y selectivo a la formación de nitrógeno. Este Proyecto Fin de Carrera (PFC) se centra en el estudio y optimización de la reacción de reducción catalítica selectiva de nitratos (RCSN) presentes en corrientes acuosas. El objetivo fundamental de este trabajo como se ha comentado, es desarrollar un catalizador óptimo. En última instancia se pretende obtener un método que sea eficaz y barato respecto a los actualmente vigentes. Para ello, se han desarrollado una serie de catalizadores bimetálicos de Pd-Sn, con distintas cargas en peso de ambos metales, soportados en Al2O3, SnO2 y en nanohíbridos de nanofibras de carbono (CFNs)/Al2O3. A los largo del proyecto se ha procedido a realizar: i) la síntesis y caracterización de catalizadores bimetálicos (Pd-Sn) depositados sobre Al2O3 y CFNs, ii) ensayos catalíticos de la RSCN utilizando un reactor semi-continuo trifásico, para la medida de las actividad, selectividad y estabilidad; y iii) el modelado cinético de la RSCN, incluyendo las especies más importantes, así como la posible desactivación del catalizador. Se ha estudiado la influencia de diferentes variables que afectan directamente a la RCSN (carga de metales, método de impregnación del catalizador, temperatura de reducción del catalizador, pH, conductividad, soporte). Las principales conclusiones obtenidas, al analizar los resultados muestran que: i) a la hora de preparar los catalizadores el método más optimo es impregnar primero el metal no noble (Sn), y posteriormente el metal noble (en este caso con Pd se obtiene mejores resultados que con Pt). ii) El incremento del % de Sn hasta un 1,2% aumenta la selectividad del catalizador hacia la formación de nitrógeno molecular. Por otra parte, el contenido óptimo de Pd está en torno al 1%. iii) Se obtienen los mejores resultados para un soporte de alúmina en comparación con un soporte de SnO2 o de CFNs, debido a su mayor área superficial. iv) Se ha encontrado que para el catalizador de Pd(1%)-Sn(1,2%)/Al2O3, la temperatura óptima de reducción está entre 300 y 350 °C. v) El control del pH mediante la adición de CO2 permite el mantener en niveles bajos la selectividad del catalizador hacia la formación de amonio y vi) La presencia de otros iones en la disolución produce la desactivación por envenenamiento del catalizador, y un aumento de la selectividad a amoni

Síntesis de nanotubos de carbono mediante descomposición catalítica de metano con catalizadores de Ni-Cu/carbón biomórfico

Dentro del campo de la nanotecnología, la síntesis de nanofibras y nanotubos de carbono (NFCs y NTCs) es el campo en el que se enmarca este “Proyecto fin de Grado”. Dichos materiales poseen unas propiedades, tanto químicas como físicas, excepcionales, por lo que las investigaciones relacionadas con los mismos se han incrementado notablemente en las últimas dos décadas. No obstante, dado el poco tiempo que llevan descubiertas estas formaciones carbonosas, existen numerosos aspectos relacionados con las mismas que no están determinados. En este proyecto se han utilizado catalizadores de Ni/Cu soportados sobre carbón biomórficos, obtenidos a partir de la descomposición térmica de estructuras de origen biológico. Los objetivos de este proyecto pasan, tanto por autentificar el funcionamiento de un tipo de catalizador biomórfico, como de reafirmar que dicho proceso se ajusta al modelo desarrollado anteriormente creado y desarrollado por el equipo de investigación del Prof. Antonio Monzón. Dicho modelo se basa en cuatro procesos bien diferenciados: i) descomposición del hidrocarburo, ii) formación del carburo superficial, iii) nucleación, precipitación y crecimiento iv) desactivación del catalizador. A partir de estas etapas, se ha desarrollado un modelo cinético cuyos parámetros serán determinados a partir de datos obtenidos de experimentos mediante técnicas “in situ”. Para finalizar, se ha estudiado la influencia de la temperatura de reacción y la concentración de hidrógeno en la mezcla en la obtención del material nanocabornoso

Estudio cinético de la hidrogenación catalítica de vainillina en emulsión mediante nanohíbridos de tipo Me/NTC/SiO2

Este proyecto fin de carrera se enmarca dentro del proyecto de investigación "Desarrollo de nanohíbridos tipo Me/NTC/soporte para nuevos procesos catalíticos por transferencia de fase". El objetivo principal de este PFC es el estudio y desarrollo de modelos matemáticos que describan el comportamiento de sistemas tipo nanohíbrido – emulsión en reactores semi - continuos de mezcla perfecta. La reacción objeto de este estudio es una reacción test para el estudio de la hidrogenación de vainillina. Esta se lleva a cabo en una emulsión estabilizada con partículas sólidas (tipo "pickering"), de agua en un solvente orgánico (decalina), donde las partículas de catalizador se localizan en la interfase agua-aceite. Para abordar este sistema tan complejo, en una primera etapa se han estudiado catalizadores más sencillos de tipo Me/soporte, donde la fase activa es Ni y Ni – Cu con diferentes cargas metálicas. Dentro del objetivo general, se busca reemplazar el metal activo, normalmente Pd o Pt, por otros metales de transición mucho más baratos, e.g. Ni. Dada la menor selectividad del Ni, los sistemas bimetálicos Ni-Cu pueden suponer una alternativa interesante de estudio. El PFC se divide en dos partes: • Estudio de los fenómenos de transferencia de fase. • Estudio cinético de la reacción de hidrogenación de vainillina A partir del estudio de los fenómenos de transferencia de materia se han obtenido los coeficientes globales de transferencia, así como los coeficientes de reparto para cada uno de los compuestos involucrados en la reacción de hidrogenación de vainillina. El estudio cinético permite calcular los coeficientes cinéticos, y determinar las condiciones óptimas de operación para maximizar el rendimiento de la reacción. Finalmente, a partir de los balances materia y ecuaciones cinéticas, se han desarrollado una serie de modelos matemáticos que pueden predecir el comportamiento de los sistemas de reacción en presencia de emulsión estabilizada mediante partículas sólidas nanohíbridas.

Producción de metano mediante hidrogenación de CO2 utilizando catalizadores basados en Ni soportados sobre carbón derivado de la celulosa y dopados con urea

El uso insostenible de combustibles fósiles durante décadas ha producido un aumento significativo de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Para reducir estas emisiones, no comprometiendo la producción energética existen varias técnicas en desarrollo. Una de ellas y la estudiada en este trabajo, es la hidrogenación del CO2. Esta técnica consiste en el empleo de hidrógeno y dióxido de carbono como reactantes para obtener metano como producto mediante la reacción de Sabatier. Sin embargo, es necesario el empleo de catalizadores para que la reacción sea viable. Este proceso se puede realizar junto con la técnica conocida como Power to Gas, utilizando energía obtenida de fuentes renovables para obtener el hidrógeno empleado. <br /

Desinfección bacteriana de aguas residuales mediante fotocatálisis heterogénea: Modelado cinético, diseño y optimización de un foto-reactor anular

Debido a la escasez mundial de agua potable, en este Trabajo Fin de Grado, se plantea la reutilización de las aguas residuales urbanas previamente depuradas para ciertas aplicaciones cotidianas. Para ello, se propone un tratamiento fotoquímico de desinfección: la fotocatálisis heterogénea, proceso en el que la inactivación microbiana se debe a la acción de los radicales hidroxilo generados en la superficie de un catalizador, como el TiO2, por acción de la radiación ultravioleta. Sin embargo, debido a la dificultad de implantación de esta tecnología a escala industrial, como paso previo, en este TFG se ha estudiado el proceso a escala de planta piloto.Para ello, utilizando como modelo las bacterias indicadoras de la contaminación fecal, se han evaluado diferentes ecuaciones cinéticas de inactivación mediante su ajuste a datos experimentales obtenidos en anteriores investigaciones. Seleccionar un modelo cinético con el menor número de parámetros ajustables ha sido la principal restricción impuesta, seleccionando así el Modelo de Gompertz, y estudiando también el efecto de diferentes variables de operación, como el tipo de agua, la intensidad UV y la concentración de TiO2, sobre el valor de la constante cinética de inactivación.A partir de los resultados del estudio cinético, se ha abordado, a escala de planta piloto, el diseño y optimización de un foto-reactor tubular de tipo anular, que opera en régimen laminar y para diferentes caudales (6-36 m3/día), minimizando en cada caso la longitud del reactor y los principales costes de operación. El diseño y optimización se han realizado a partir del Modelo de Gompertz, aunque la metodología desarrollada puede ser fácilmente aplicada a cualquier otro modelo cinético. Los resultados obtenidos indican que este proceso es potencialmente viable desde un punto de vista tecno-económico, aunque, todavía son necesarios estudios adicionales a nivel de laboratorio y de planta piloto para disponer de una evaluación más completa del proceso global.<br /

Eliminación de nitratos en corrientes acuosas mediante reducción catalítica selectiva

El aumento paulatino del uso de fertilizantes y de abonos, generado por los cambios en nuestra forma de vida, han hecho que la problemática asociada a la contaminación de las aguas por nitratos se agrave. Esta situación está originando graves problemas de deterioro social, medioambiental y económico. En muchos lugares donde antaño se utilizaban recursos acuícolas, ahora no se pueden explotar debido al aumento de la contaminación de estas aguas. A su vez, tenemos numerosos problemas medioambientales asociados a la contaminación de las aguas por nitratos, como la pérdida de biodiversidad o la eutrofización. Finalmente, todos estos desequilibrios desembocan en problemas económicos que afectan a la población. Para ello, el estudio de la Reducción catalítica selectiva de nitratos que se lleva a cabo en este trabajo, permite reconocer dicho proceso químico como una de las vías más interesantes a utilizar para poder compensar o contrarrestar este daño que el ser humano genera en el medio, optimizando las diferentes características de la reacción para su posterior aplicación en el mundo real. Consiguiendo como fin último el desarrollo sostenible y respetuoso con el medio del ser humano.<br /

Cinética de crecimiento de nanotubos de carbono por descomposición catalítica : aplicación al crecimiento de nanotubos de carbono alineados verticalmente

La presente memoria de “Trabajo Fin de Máster” se enmarca dentro del ámbito de la nanotecnología, más concretamente dentro del campo de la síntesis de los nanotubos de carbono (NTCs). Los nanotubos de carbono poseen unas características físico-químicas únicas, por lo que están siendo intensivamente estudiados en las últimas dos décadas. A pesar de esta intensiva investigación, aspectos claves del mecanismo y cinética de formación y crecimiento de los NTCs no están todavía totalmente dilucidados. Por ello, en este trabajo fin de máster se ha abordado el desarrollo y aplicación de un modelo cinético basado en las etapas principales de formación y crecimiento de los nanotubos de carbono. En el modelo cinético propuesto se contemplan las siguientes etapas: i) descomposición del hidrocarburo, ii) formación del carburo superficial, iii) nucleación y precipitación, iv) crecimiento de los nanotubos de carbono, v) desactivación del catalizador, y vi) influencia del impedimento estérico en el crecimiento de los nanotubos de carbono. Desde el punto de vista matemático, el modelo propuesto se describe en términos de un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias. La resolución del sistema de ecuaciones diferenciales se lleva a cabo numéricamente mediante el método de resolución de diferencias finitas explícitas. El modelo cinético desarrollado puede implementarse posteriormente en modelos para el diseño y simulación de diferentes tipos de reactores químicos en los que se lleve a cabo la producción masiva de NTCs. Por otra parte, en este trabajo fin de máster se ha aplicado el modelo propuesto a tres estudios diferentes de crecimiento de nanotubos de carbono. En todos los casos se ha realizado un ajuste de datos cinéticos experimentales, obtenidos mediante técnicas “in situ”, para obtener las constantes cinéticas. Esto permite además, ver la evolución de las constantes cinéticas con las condiciones de operación, fundamentalmente temperatura y composición de la fase gas. El ajuste de losn datos cinéticos se ha realizado el método de regresión no lineal multivariable y multirespuesta. En definitiva, en este trabajo fin de máster se ha planteado, desarrollado y aplicado un modelo cinético de carácter mecanicista que describe la dependencia con las condiciones de operación de la velocidad de formación y crecimiento de los NTCs