Procesamiento de cerámicas técnicas para la producción de membranas de permeación de gases

Abstract

La producción de oxígeno tiene un profundo impacto en un gran número de industrias debido a su uso para proporcionar una combustión más eficiente en procesos térmicos, así como su uso como reactivo en procesos químicos. Es por ello que existe la necesidad de producir eficientemente oxígeno de alta pureza a diferentes escalas. La principal forma de obtener oxígeno es por destilación criogénica del aire. Mediante este método se obtiene un producto de alta pureza, el cual requiere de un gran consumo energético que permita trabajar a temperaturas en las que ambos compuestos sean líquidos, exigiendo una infraestructura y puesta a punto compleja para su funcionamiento. Estos elevados costes hacen que la producción a pequeña y mediana escala no sea rentable. Por ello, se pretende desarrollar un método efectivo y rentable de producción de oxígeno y nitrógeno de alta pureza que permita el uso de estos gases en la industria. Una de las alternativas es el uso de membranas cerámicas de separación de gases, que permite la permeación selectiva del oxígeno por difusión a través de la red de un óxido cerámico. Entre otras ventajas, las membranas cerámicas permiten la producción de O2 in situ a pequeña y mediana escala, donde otras tecnologías, como la criogénica, no son económicamente viables. Este tipo de membranas presentan conductividad tanto iónica como electrónica, ya que el oxígeno se filtra gracias a la presencia de vacantes en la red cristalina. Esta difusión es impulsada por el gradiente de presión de oxígeno a través de la membrana, lo que provoca una difusión opuesta de electrones, necesaria para equilibrar la carga en ambos lados de la membrana. La finalidad de este trabajo consiste en optimizar el proceso de producción de sustratos cerámicos porosos, así como la deposición de las membranas cerámicas que permiten la separación efectiva de los gases que componen el aire. Para ello, se utilizará una máquina de inyección cerámica semi-industrial. Los sustratos estarán constituidos por un material estructural -en este caso 3YSZ-un formador de poros y un vehículo, ambos orgánicos. Una vez optimizados los problemas derivados del procesamiento de dichos sustratos, se pretende depositar membranas asimétricas tipo MIEC para la separación de gases. Las propiedades del sustrato poroso deben coincidir con las de la membrana, de tal manera que exista una buena compatibilidad química entre ambos, un coeficiente de dilatación térmico similar, así como unas buenas propiedades mecánicas en condiciones de operación. Una vez se haya conseguido procesar las membranas, se procederá a la obtención de medidas de permeación.