Síntesis y caracterización de membranas compuestas para su aplicación en reactores de producción de hidrógeno

Abstract

El objetivo de esta tesis fue contribuir con el desarrollo de la economía del hidrógeno. Para este propósito, se profundizó en el estudio de las membranas compuestas de Pd y sus aleaciones. Se sintetizaron, caracterizaron y evaluaron membranas compuestas de Pd y Pd-Ag soportadas en sustrato poroso (316 L). Por otro lado, se destaca su empleo en un reactor de membrana (RM) para la reacción de reformado seco de metano. Para modificar la rugosidad del sustrato, se desarrollaron y optimizaron dos técnicas: síntesis hidrotérmica de zeolita NaA, y recubrimiento por inmersión (alúminas y zeolita NaA) con intercalación de deposiciones cortas de Pd. Las deposiciones metálicas, se llevaron a cabo mediante la técnica conocida como deposición metálica autocatalítica (electroless plating). Las membranas sintetizadas se caracterizaron mediante: DRX, SEM, EDS, XPS. El transporte de hidrógeno en las membranas compuestas se estudió considerando un modelo de transferencia de materia, el cual permitió aislar el mecanismo Sievert. La mejor membrana desarrollada fue una de Pd con 20 micrones de espesor, cuyo soporte se modificó mediante síntesis hidrotérmica de zeolita NaA. Esta mostró una permeanza de H2 y una selectividad ideal H2/N2 igual a 11,1 x 10-4 mol m-2 s-1 Pa-0,5 y 1165, respectivamente, a 450ºC y 100 kPa. Su aplicación en un reactor de membrana, permitió obtener un incremento de la conversión de metano del 98% a 450ºC. Bajo estas condiciones, la selectividad de permeación H2/CH4 fue de 197 y la recuperación de H2 alcanzó un valor de 72%.

One of the greatest worldwide challenges of the last decades has been the development of a hydrogen economy. Within this framework, the purpose of the present study is to contribute to advancing knowledge on Pd composite membranes and their alloys. Composite membranes of Pd and Pd-Ag supported on a porous substrate (316 L) were synthesized, characterized and their transport properties measured. In addition, these membranes were then applied to a membrane reactor (MR) for dry reforming of methane. To modify the roughness of the porous substrate, two techniques were employed and optimized: hydrothermal synthesis with secondary growth of NaA zeolite and dip coating (alumina and zeolites) with Pd short depositions. The metallic deposition was carried out using the technique known as electroless plating. The membranes were characterized by: XRD, SEM, EDS and XPD. The hydrogen transport through the composite membranes was studied considering a mass transfer model, that allow isolated of the solution-diffusion mechanism. The best membrane synthesized in this thesis was a 20 m thick palladium membrane, whose support was modified by NaA hydrothermal synthesis, exhibited a hydrogen permeance and a H2/N2 ideal selectivity equal to 11.1 x 10-4 mol m-2 s-1 Pa-0.5 and 1165, respectively, at 400ºC and 100 kPa. The methane conversion showed an enhancement of 98 % at 450º C. Under these conditions, the H2/CH4 permeation selectivity was 197 and the H2 recovery reached a value of 72 %.