Cinética y modelado de la reacción de craqueo de metano con catalizadores altamente productivos de Fe-Mg-Al modificados con Mo

Zas Terciana, Guadalupe Rocío
Monzón Bescós, Antonio (dir.) ; Tarifa Sánchez, María del Pilar (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2025
Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, Área de Ingeniería Química

Máster Universitario en Ingeniería Química

Resumen: En este Trabajo de Fin de Máster se ha estudiado la aplicación de catalizadores de Fe-Mg-Al, utilizando Mo como metal promotor de la actividad catalítica, para la reacción de descomposición de metano. La descomposición o “cracking” de metano, y de otros hidrocarburos ligeros, es un proceso que tiene un renovado interés debido a que permite obtener, en una sola etapa, hidrógeno libre de CO y CO2, y además nanomateriales carbonosos (CNMs) de gran interés en nanotecnología. Entre éstos destacan los nanotubos de carbono (CNTs), y grafeno y los materiales grafénicos (GRMs). El objetivo principal de éste TFM ha sido analizar la influencia de la composición (e.g. relación Fe/Mo) de los catalizadores preparados, sobre la productividad a hidrógeno y a nanotubos de carbono de alta calidad. El estudio experimental ha incluido las fases de. i) síntesis y caracterización de los catalizadores, ii) reacción en termobalanza y iii) caracterización post-reacción de los catalizadores y de los nanomateriales carbonosos obtenidos. El estudio de la reacción en termobalanza permite medir seguir en tiempo real la evolución (crecimiento) de la masa de carbón depositada sobre el catalizador, y partir de aquí calcular la velocidad de reacción en las diferentes condiciones de operación investigadas con cada catalizador. Los catalizadores han sido sintetizados por el denominado método de los citratos, y el estudio experimental ha comprendido el análisis de la influencia de distintas variables de síntesis: a) concentración de citratos y de los reactivos metálicos (nitratos de Fe, Mo, Mg y Al), en la disolución inicial; b) composición final del catalizador, expresada a través de las relaciones Fe /Mo, Fe /(Mg+Al) y Mg/Al. Tras las etapas de síntesis y de reacción, los catalizadores y los nanomateriales carbonosos obtenidos se han caracterizado por diversas técnicas físico-químicas como termogravimetría (TGA), adsorción de N2, difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), y espectroscopía Raman. La evolución a lo largo de la reacción de la masa de CNMs depositada sobre el catalizador, mC (gC/gcat), han sido analizados mediante modelos cinéticos basados en las etapas relevantes del mecanismo de reacción: i) adsorción y descomposición del metano sobre las nanopartículas (NPs) de Fe dispersas en el soporte del catalizador; ii) carburización de las NPs de Fe, iii) difusión y precipitación de los átomos de C formando CMNs; iv) desactivación del catalizador. Mediante resolución numérica del modelo cinético (expresado en forma de un sistema de EDOs), junto con técnicas de técnicas estadísticas de regresión no-lineal y de discriminación de modelos, se han calculados los valores de parámetros cinéticos intrínsecos relacionados con cada etapa del mecanismo de reacción. Esto ha permitido cuantificar la influencia de cada variable experimental estudiada sobre la actividad y productividad de cada catalizador.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master