Producción de hidrógeno a partir del reformado de bioetanol en un reactor catalítico de membrana

Abstract

El bioetanol bruto, obtenido por fermentación de biomasa, podría ser aprovechado como materia prima renovable para la producción de hidrógeno, para lo cual el desarrollo de catalizadores activos, selectivos y estables para el reformado del bioetanol es un punto clave. En el presente trabajo se ha estudiado de manera experimental el reformado con vapor de agua (ESR) de bioetanol comercial, en estado de equilibrio (análisis estático) sobre un catalizador de Pd-Rh/CeO2 (1,3g) en un reactor catalítico de membrana, equipado con membranas comerciales selectivas al hidrógeno de 30 𝜇��m PdAg apoyadas sobre 43 𝜇��m de acero inoxidable poroso (PSS) con una superficie total activa de 30,4 cm2 , bajo diferentes condiciones de operación en cuanto a la presión de la reacción (6 a 10 bar) y la relación agua / carbono de la mezcla de entrada (S/C de 1,6 a 3). La temperatura de la reacción se ha mantenido constante e igual a 650 °C. A presión igual a la atmosférica (membrana desconectada del sistema, sistema funcionando como un simple reactor de lecho fijo), la conversión del bioetanol fue siempre completa. Los productos principales han sido H2 (49-56%), CH4 (20-28%), CO2 (21-22%) y CO (<3%), cuya variabilidad ha dependido de la relación S/C en la mezcla de entrada. Al presurizar el sistema en cambio (con la membrana aun desconectada del sistema) las proporciones en el gas reformado se han visto modificadas, por la acción de la presión sobre la reacción de reformado (de acuerdo al principio de Le Châtelier). Menores presiones y un exceso de agua en la alimentación mejoran la conversión de etanol a H2 al mismo tiempo que reducen la formación indeseable de acetaldehído, ya que promueven las reacciones de MSR y WGS. Se ha obtenido un porcentaje máximo de hidrógeno en la salida reformada de 56,1% ± 0,2% (20,5% ± 0,2% de CH4 y 1,8% ± 0,2% de CO). Al permitir el paso hacia la membrana, la reacción global de reformado se potenció significativamente por la eliminación continua del hidrógeno del gas reformado, gracias al paso de éste a través de la membrana. Así, el equilibrio de las reacciones MSR y WGS se ha desplazado hacia los productos permitiendo rendimientos más altos de hidrógeno. Concretamente, la presión tuvo un efecto positivo sobre el porcentaje de recuperación de hidrógeno de la membrana (RH2), el rendimiento de hidrógeno total (θH2,p+r) y la eficiencia global del sistema (ηH2), debido al aumento de la fuerza motriz para la permeancia del hidrógeno a través de la membrana (Ley de Sieverts). Los mejores resultados se han obtenido para P = 10 bar, alcanzando valores hasta 85,7 ± 0,1% para RH2, 72,1 ± 0,2% para θH2,p+r y ηH2 hasta 40,4 ± 0,1%. En este caso, el efecto de la relación S/C sobre los resultados fue menos relevante que el efecto de la presión. De esta forma se tiene que el caudal molar de H2 de salida en el reactor de membrana ha alcanzado un valor máximo de 1,38 mol · kgcat -1 · min-1 , que es 4,6 veces superior al valor reportado para el sistema funcionando sin membrana, bajo las mismas condiciones de operación. Comparando el sistema operando con bioetanol comercial (bioetanol de origen agrícola 75-94% puro, deshidratado) y con etanol sintético (99,9% puro) se evidencia que el rendimiento es muy similar, siendo los resultados del etanol sintético sólo 6% superiores a los del bioetanol, por lo que se intuye que las impurezas presentes en el bioetanol no afectan de forma significativa el comportamiento estático del reactor y del catalizador, ya que son reformados en las mismas condiciones de operación. El rendimiento obtenido con el reactor de membrana es equivalente a pasadas investigaciones sobre el mismo sistema, aun cuando se ha tenido una limitación especial por el desgaste de la membrana debido a su uso durante más de 600h en estudios anteriores.