Combustión de compuestos orgánicos volátiles en reactores de membrana catalítica mesoporosa basados en óxidos metálicos. Estudio cinético y simulación

Resumen

La, eliminación total de COV's (compuestos orgánicos volátiles) altamente tóxicos sin formación de contaminantes secundarios requiere de tecnologías altamente eficientes que garanticen su remoción a la menor temperatura posible con el subsiguiente ahorro energético. El concepto de reactor de membrana catalítica en flujo a través operando en régimen de difusión Knudsen, como eficaz contactor gas-sólido ha sido demostrado en trabajos previos en la combustión de COV's utilizando membranas catalíticas del tipoPt.-alúmina alcanzando rendimientos superiores a los obtenidos en un reactor de lecho fijo. En este tipo de membranas, la resistencia difusional a la transferencia de materia se minimiza por la alta probabilidad de choque de las moléculas gaseosas de alimentacióncon las paredes del poro en las que se deposita el catalizador. Con el objeto de abaratar costes inherentes al empleo de esta tecnología, esta investigación se ha centrado en el desarrollo de membranas catalíticas intrínsicamente activas basadas en óxidos metálicos: Fe203, MnxOy, Ce02 y óxidos mixtos: Ce-Zr y Ce-Mn, para su aplicación como contactores interfaciales tipo Knudsenen procesos de combustión de COV's tomando como moléculas modelo: etilmetilcetona (MEK) y n-hexano, ambos solventes importantés en la industria química. Para cumplir el objetivo final se han preparado catalizadores másicos en paralelo a las membranas catalíticas para estudiar las condiciones experimentales de formación de las fases activas, térmicamente estables y con la mayor superficie específica de contacto. Con este fin, los catalizadores másicos han sido sometidos a diversos tratamientos térmicos para posteriormente ser caracterizados por las técnicas aplicadas en este trabajo: rayos X, determinación de la superficie BET, reducción a temperaturaprogramada, análisis termogravimétrico y determinar las características estructurales, texturales y redox de los componentes activos. Una vez determinadas las condiciones experimentales del tratamiento térmico adecuado para los catalizadores másicos, se han preparado las membranas siguiendo el mismo procedimiento aunque considerando las particularidades propias de la membrana soporte. Se han aplicado diferentes técnicas de impregnación de las soluciones precursoras con el objeto asegurar el confinamiento del material catalítico dentro de la zona mesoporosa de la membrana soporte de ,-alúmina donde la difusión Knudsen es predominante y se maximiza el contacto gas-sólido aprovechando en su totalidad el material catalítico y aumentando la eficacia de la reacción de combustión. El mecanismo en serie- paralelo de Langmuir-Hinshelwood con un solo tipo de centros activos para la adsorción de 02, MEK y CO ajusta razonablemente bien los datos experimentales obtenidos para la combustión de MEK sobreFe2O3 y MnxOy y la simulación basada en esta cinética predice aceptablemente las tendencias de las curvas de ignición obtenidas para los reactores de lecho fijo y de membrana en diferentes condiciones iniciales.Se han obtenido membranas catalíticas basadas en óxidos metálicos tipo Fe2O3, CeO2, MnxOy, Ce-Zr, Ce-Mn optimizadas entérminos de actividad en la combustión de MEK y n-hexano, estabilidad térmica y selectividad a productos de combustión total. Los rendimientos en combustión de COV's utilizando un reactor de membrana superan a los obtenidos en un reactor de lecho fijo concatalizador análogo y bajo condiciones experimentales equivalentes. Es decir, la hipótesis inicial de partida de este trabajo se ha confirmado.