Síntesis y caracterización de óxidos de manganeso estructurados promovidos con Ni para su aplicación en la valorización de CO2 mediante la reacción de metanación

Abstract

[ES] El hecho de que el modelo energético actual esté basado en combustibles fósiles constituye un importante problema a medio y largo plazo, por lo que resulta necesario hallar nuevas alternativas que resulten medioambiental y económicamente sostenibles. El biogás es un combustible generado por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica mediante la acción de microorganismos en condiciones anaerobias cuya composición química consiste en un 50-60 % de metano (CH4), un 40-50 % de dióxido de carbono (CO2) y otros componentes minoritarios. El valor energético del biogás reside en la concentración de CH4, por lo que con el fin de valorizarlo se realiza la purificación del biogás, a partir de la cual se obtiene el biometano, un combustible gaseoso de origen renovable, viable económicamente, acorde a la legislación y con un valor energético similar al gas natural de origen fósil. La purificación del biogás implica la eliminación selectiva de CO2 y supone un esfuerzo tecnológico adicional que encarece el proceso productivo del biometano. Por lo tanto, sería interesante desarrollar procesos que permitirán transformar ese CO2, sin emitirlo a la atmósfera, logrando de esta manera, además de una concentración de CH4, un incremento de las cantidades producidas. La transformación de CO2 en CH4 es una reacción altamente exotérmica, pero es difícil llevarla a cabo debido a las altas barreras cinéticas. Por ello, es necesario el uso de catalizadores, siendo los basados en níquel los de mayor interés industrial por su bajo coste y alta disponibilidad. El presente TFG se centrará, por tanto, en el desarrollo de catalizadores eficientes para la metanación del CO2 presente en el biogás, con el fin de obtener un biogás más concentrado en CH4 y de mayor valor añadido. Para ello, se realizará la síntesis, caracterización y estudio de la actividad catalítica en la reacción de metanación del CO2 de materiales basados en óxido de manganeso con configuración de tamiz molecular octaédrico (OMS) y de lámina octaédrica (OL). Estas estructuras, basadas en la conexión de octaedros MnO6x- que contienen un átomo de manganeso en el centro y átomos de oxígeno en los vértices, servirán como soporte para el níquel que actuará como centro activo para la reacción de metanación. Los resultados de los ensayos catalíticos han demostrado que la todorokita (OMS) es el catalizador que presenta mejor selectividad de CH4 (99,3 %), mayor conversión de CO2 (87,4 %) y la segunda mejor estabilidad (63,9 %) de entre todos los catalizadores probados, por lo que se puede concluir que este catalizador es el más favorable para la reacción de metanación. La temperatura a la que alcanza el equilibrio, y por tanto a la que se alcanza la mayor conversión, es aproximadamente a los 360 ¿, unos 40 ¿ antes que el catalizador usado como referencia (alúmina), este hecho implica un gran ahorro energético y como consecuencia un mayor beneficio económico.

[EN] The fact that the current energy model is based on fossil fuels constitutes an important problem in the mid and long term, which is why it is necessary to find new alternatives that are environmentally and economically sustainable. Biogas is a fuel generated by the biodegradation reaction of organic matter through the action of microorganisms in anaerobic conditions whose chemical composition consists of 50-60 % methane (CH4), 40-50 % carbon dioxide (CO2) and other minority components. The energy value of the biogas resides in its methane concentration, so, in order to improve its value, a purification of the biogas is carried out, from which biomethane is obtained, a gaseous fuel of renewable origin, economically profitable, in line with current legislation and with an energy value similar to fossil-origin natural gas. Biogas purification implies the selective elimination of CO2 and it involves a technological effort, which increases the cost of the biomethane production process. Therefore, it would be interesting to develop processes which allow CO2 transformation without its emission to the atmosphere, obtaining, in addition to a concentration of methane, an increase of the produced amounts. CO2 transformation into methane is a highly exothermic reaction, it is difficult to carry out due to the high kinetic threshold. This is why the use of catalysts is necessary for the reaction to take place, particularly for this work, nickel-based catalysts will be studied to be used in industrial processes, due to their low cost and easy availability. Thus, this work will focus on efficient catalysts development for CO2 biogas methanation in order to obtain a more methane concentrated biogas and with added value. Therefore, the synthesis, characterization and study of the catalytic activity in methanation reaction of carbon dioxide of manganese oxide materials with configuration of Octahedral Molecular Sieve (OMS) and Octahedral Layer (OL) will be carried out. These structures, based on the connection of MnO6x- octahedrons, that contain a manganese atom in the centre and oxygen atoms on its vertices, will serve as support for the nickel that will act as active centre to the methanation reaction. The results of the catalytic tests have shown that todorokite (OMS) is the catalyst with highest CH4 selectivity (99,3 %), CO2 conversion (87,4%) and the second best stability (63,9 %) among all the tested catalysts, because of that it can be concluded that this catalyst is the most favourable for the methanation reaction. The temperature at wich it reaches equilibrium, and therefore at the one which the highest conversion is achieved, is approximately 360 ¿, around 40 ¿ less than the catalyst used as reference (alumina), this fact implies significant energy savings and consequently greater economic benefits.