Investigación sobre reactores de membrana que mejoran la conversión de CO2 a metano

El cambio climático, acelerado por actividades humanas, se ha convertido en una de las principales preocupaciones ambientales de este siglo. Gobiernos y organizaciones de todo el mundo están realizando esfuerzos significativos para mitigar este desafío.

Un paso concreto en esta dirección es el desarrollo de tecnologías novedosas que capturan y convierten el dióxido de carbono (CO2) de baja concentración en productos útiles. Recientemente, científicos propusieron la metanación de CO2 en un reactor de membrana como un enfoque prometedor. En particular, los reactores de membrana tipo distribución son atractivos debido a su alta actividad catalítica y la mitigación de la formación de puntos calientes.

A pesar de que se ha confirmado la efectividad de los reactores de membrana, la eficiencia de las propiedades de la membrana y las características de transferencia de calor de los materiales de membrana siguen siendo poco claras.

En un nuevo estudio, un equipo de investigadores liderado por el profesor Mikihiro Nomura del Instituto de Tecnología de Shibaura, Japón, junto con Yuka Shimizu del mismo instituto y Marcin Mozdzierz, Grzegorz Brus y Elzbieta Fornalik-Wajs de la Universidad AGH de Cracovia, Polonia, demostró la novedad del reactor de membrana tipo distribución para la utilización de CO2.

Sus hallazgos fueron publicados en Catalysis Today.

"A través de un programa de doble titulación entre el Instituto de Tecnología de Shibaura y la Universidad AGH de Cracovia, evaluamos la transferencia de calor en los componentes de la membrana, lo que nos permitió demostrar las ventajas específicas de los reactores de membrana abordadas en nuestra investigación", explicó el profesor Nomura.

Posteriormente, el equipo controló la tasa de reacción dentro del reactor distribuyendo la alimentación de reactantes a través de la membrana. Realizaron una evaluación precisa de la conductividad térmica de la membrana de alúmina porosa (Al₂O₃) con características estructurales físicas y químicas minuciosas mediante mediciones de análisis por láser.

La conductividad térmica en la parte sólida de esta muestra se midió en un 36.4% más baja que la de la alúmina no porosa.

Los investigadores utilizaron una membrana catalítica con una capa de separación de sílice, que mostró una permeabilidad al hidrógeno de 1.4 × 10^-6 mol m^-2 s^-1 Pa^-1 y una selectividad de hidrógeno a dióxido de carbono de 35.9, en la prueba del reactor de membrana tipo distribución. Obtuvieron una alta conversión de CO2 del 92.3% a 350 °C.

Con base en estos resultados, el equipo realizó simulaciones utilizando el software Ansys Fluent para examinar el impacto de la conductividad térmica de la membrana y la permselectividad.

El equipo estableció una permeabilidad de CO2 de la membrana de 3.91 × 10^-8 mol m^-2 s^-1 Pa^-1 para todas las situaciones, encontrando que la membrana permselectiva de CO2 con una alta selectividad de 35.9 produce aproximadamente 1.4 veces más metano que la membrana permselectiva de hidrógeno con una baja selectividad de 0.10. Además, una mayor conductividad térmica de la membrana suprime el aumento de temperatura en el reactor.

"Los reactores de membrana permiten una alimentación de reactantes distribuida espacialmente dentro del reactor, proporcionando un control mejorado sobre las tasas de reacción y los perfiles de temperatura en ambas direcciones: axial (flujo) y radial (superficie de la membrana)", comentó el profesor Nomura.

"Esta capacidad única y la forma de la membrana los hacen adecuados para su aplicación en instalaciones de pequeña escala. Por lo tanto, aplicar reactores de membrana a fuentes de emisión de CO2 de pequeña escala, que son comúnmente propiedad de muchas pequeñas y medianas empresas con financiamiento limitado, acelerará la realización de una sociedad carbono-neutral.

"En particular, anticipamos su uso en pequeños dispositivos de combustión, como calderas, un área que ha recibido poca atención en los esfuerzos por combatir el calentamiento global".

Estos resultados también pueden guiar otros procesos exotérmicos, como la oxidación parcial de hidrocarburos en sistemas de reactores de membrana, impulsando tecnologías sostenibles.