Diseño experimental para determinar el efecto del tamaño del pellet de catalizadores bimetálicos Cu-Ni en la reacción de desplazamiento de agua

Experimental design to determine the effect of the pellet size of bimetallic Cu-Ni catalysts in the water gas shift reaction

Se sintetizaron catalizadores bimetálicos de Cu-Ni en relación molar 2-1 en pellets cilíndricos de carbón activado de diferentes diámetros (0,2 cm; 0,3 cm y 0,4 cm) y longitud (0,4 cm y 0,6 cm); se evaluaron en la reacción de desplazamiento de agua a 330 °C y presión atmosférica. Se realizó un diseño experimental para evaluar el efecto de las variables, diámetro y longitud, sobre la conversión del monóxido de carbono. La importancia de los principales factores y sus interacciones se examinaron por medio del análisis de varianza (ANOVA). Los resultados mostraron que tanto el diámetro como la longitud afectan significativamente la conversión del monóxido de carbono. Los resultados de la actividad catalítica, bajo las mejores condiciones de diámetro (0,4 cm) y longitud (0,6 cm) de los pellets, mostraron una conversión del monóxido de carbono del 96%.

Introducción

La reacción de desplazamiento de agua, Ecuación [1], conocida como water gas shift (WGS) es un proceso industrial que permite la conversión del monóxido de carbono y agua en dióxido de carbono e hidrógeno, mezcla de gases de gran importancia en la síntesis de amoníaco y metanol (1), en procesos de refinería de hidrocarburos y en aplicaciones en las celdas de combustible, siendo estas últimas ampliamente estudiadas, dado su elevado potencial energético y la baja emisión de gases de efecto invernadero (2).

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂   [1]

Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de esta reacción es la limitación termodinámica del equilibrio. Dado su carácter exotérmico, ΔH₀ = -41,2 kj·mol^-1, la conversión del monóxido de carbono y la producción de hidrógeno se favorecen a bajas temperaturas. La reacción se ha realizado en presencia de catalizadores heterogéneos que han permitido mejorar la conversión del monóxido de carbono y la selectividad hacia el hidrógeno.

Entre los catalizadores comúnmente utilizados se destacan Pt/CeO₂ (3), Pt/TiO₂ (4), Au/CeO₂ (5), Au/TiO2 (6) y Rh/Al₂O₃ (7) aunque, debido al área superficial relativamente baja (50-400 m²·g^-1), los elevados costos, la desactivación a temperaturas altas por sinterización del metal y la rápida inactivación de los mismos, bajo los ciclos de encendido y apagado frecuente (8), se motiva la sustitución de estos catalizadores por otros que contengan metales de menor costo, manteniendo el rendimiento catalítico del sistema.