Desarrollo de membranas compuestas de paladio mediante electroless pore-plating para la producción de hidrógeno de alta pureza
- Autores: David Martínez Díaz
- Directores de la Tesis: Alicia Carrero Fernández (dir. tes.), José Antonio Calles Martín (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Dufour Andía (presid.), Arturo Javier Vizcaíno Madridejos (secret.), José Manuel Serra Alfaro (voc.), Miguel Menendez Sastre (voc.), Silvano Tosti (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los Materiales por la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Las emisiones de dióxido de carbono de carácter antropogénico, generado principalmente por el uso masivo de combustibles fósiles en los sectores industrial, energético y de transporte, son una de las principales causas responsables del deterioro progresivo del medio ambiente generado por el calentamiento global. En este contexto, resultan críticas la promoción del uso de energías renovables y la mejora de la eficiencia energética de multitud de procesos químicos e industriales para lograr reducir los actuales niveles de emisiones de dióxido de carbono. El uso de hidrógeno como vector energético limpio se presenta como una de las alternativas más prometedoras para facilitar esta transición energética, ya que puede obtenerse mediante diversas tecnologías a partir de materias primas, como gran parte de los residuos orgánicos y el agua. Sin embargo, en la mayoría de los casos este gas no se obtiene con la pureza requerida en ciertas aplicaciones, como por ejemplo las pilas de combustible tipo PEM para generación de energía eléctrica, dado que típicamente se encuentra mezclado con elementos como nitrógeno, vapor de agua u óxidos de carbono, entre otros. Por consiguiente, siempre es necesaria una etapa adicional de purificación aguas abajo del reactor o del equipo de producción general. Esta separación puede llevarse a cabo mediante una etapa independiente a través de diversas tecnologías, principalmente, destilación criogénica, absorción por cambio de presión o mediante el uso de membranas selectivas. Estas últimas permiten su acoplamiento en la propia etapa de reacción, conocida como reactor de membrana, de forma que las etapas de reacción química y separación se llevan a cabo de manera simultánea en una misma unidad. El uso de este tipo de dispositivos puede proporcionar importantes ventajas competitivas en comparación con los esquemas tradicionales de proceso, pudiendo destacar el posible desplazamiento del equilibrio químico en reacciones reversibles para la mejora del rendimiento y conversión, una buena escalabilidad para diferentes niveles de producción, la posibilidad de operar a condiciones de operación más suaves, o la propia intensificación del proceso al requerir un menor número de equipos. Todo ello permitiría reducir tanto los costes de operación, asociados a las menores necesidades energéticas del proceso, como los costes fijos por el menor número de equipos necesarios en comparación con un proceso en dos etapas. En este contexto, el objetivo principal de la presente Tesis Doctoral es el desarrollo de nuevas membranas compuestas de base paladio que permitan mejorar su capacidad de permeación y mantener una adecuada resistencia mecánica y selectividad al hidrógeno. Para ello, se ha actuado principalmente en dos etapas claves del proceso de fabricación de las membranas, a) la modificación de la morfología original de los soportes porosos de acero 316L empleados para la fabricación de las membranas y b) la propia técnica de deposición del paladio mediante Electroless Pore-Plating (ELP-PP). En primer lugar, se estudió el efecto de incorporar diferentes capas intermedias entre el soporte de la membrana y la capa selectiva de Pd. En concreto se usaron interfases de grafito, óxido de cerio denso y óxido de cerio mesoporoso sobre los propios soportes de acero poroso para modificar sus propiedades superficiales y facilitar la posterior deposición de una capa de paladio con mejores propiedades en términos de espesor y homogeneidad. Posteriormente también se analizó la influencia del dopado con núcleos de Pd finamente distribuidos de algunas de las partículas que conformaban estas capas intermedias antes de su propia incorporación sobre el soporte poroso de acero, en sustitución de la habitual etapa de activación superficial previa requerida para la etapa ELP-PP. Sobre todas estas membranas compuestas se realizaron una serie de ensayos de permeación tanto con gases puros como mezclas de diferente composición y concentración para varias condiciones de operación, principalmente temperatura, presión y dirección del flujo de permeado. Por otro lado, también se realizó un análisis económico sobre las diferentes alternativas planteadas, así como su escalado a una mayor longitud y la demostración de las propiedades exhibidas por las membranas seleccionadas mediante su integración en un reactor de membrana para la producción de hidrógeno mediante reformado con vapor de ácido acético.
