La reacción de Sabatier o proceso de Sabatier produce metano y agua a partir de una reacción de hidrógeno con dióxido de carbono a temperaturas elevadas (óptimamente 300–400 ° C) y presiones (quizás 30 bar [1] ) en presencia de un catalizador de níquel . Fue descubierto por los químicos franceses Paul Sabatier y Jean-Baptiste Senderens en 1897. Opcionalmente, el rutenio sobre alúmina (óxido de aluminio) hace un catalizador más eficiente. Se describe mediante la siguiente reacción exotérmica . [2]
- ∆ H = −165,0 kJ / mol
Existe un desacuerdo sobre si la metanización de CO 2 ocurre adsorbiendo asociativamente un hidrógeno adatómico y formando intermedios de oxígeno antes de la hidrogenación o disociando y formando un carbonilo antes de ser hidrogenado. [3]
- ∆ H = −206 kJ / mol
CO metanización se cree que ocurre a través de un mecanismo disociativo donde el enlace carbono-oxígeno se rompe antes de la hidrogenación con un mecanismo asociativo observándose únicamente a alta H 2 concentraciones.
La reacción de metanización sobre diferentes catalizadores metálicos transportados , incluidos Ni, [4] Ru [5] y Rh [6], se ha investigado ampliamente para la producción de CH 4 a partir de gas de síntesis y otras iniciativas de energía a gas. [3] El níquel es el catalizador más utilizado debido a su alta selectividad y bajo costo. [2]
Aplicaciones
Creación de gas natural sintético
La metanización es un paso importante en la creación de gas natural sintético o sustituto (SNG). [7] El carbón o la madera se someten a gasificación, lo que crea un gas productor que debe someterse a metaneización para producir un gas utilizable que solo necesita someterse a un paso de purificación final.
La primera planta comercial de gas sintético se inauguró en 1984 y es la planta Great Plains Synfuel en Beulah, Dakota del Norte. [2] Todavía está en funcionamiento y produce 1500 MW de SNG utilizando carbón como fuente de carbono. En los años transcurridos desde su apertura, se han abierto otras instalaciones comerciales utilizando otras fuentes de carbono, como astillas de madera. [2]
En Francia, la AFUL Chantrerie, ubicada en Nantes, inició en noviembre de 2017 el manifestante MINERVE. Esta unidad de metanización de 14 Nm3 / día fue realizada por Top Industrie, con el apoyo de Leaf. Esta instalación se utiliza para alimentar una estación de GNC y para inyectar metano en la caldera de gas natural. [8]
Se ha visto en un sistema energético dominado por energías renovables utilizar el exceso de electricidad generada por la energía eólica, solar fotovoltaica, hidráulica, marina, etc. para producir hidrógeno a través de la electrólisis del agua y la posterior aplicación de la reacción de Sabatier para producir metano [ 9] [10] A diferencia del uso directo de hidrógeno para aplicaciones de transporte o almacenamiento de energía, [11] el metano puede inyectarse en la red de gas existente, que en muchos países tiene una capacidad de almacenamiento de uno a dos años. [12] [13] [14] El metano se puede utilizar a pedido para generar electricidad (y calor, calor y energía combinados) superando los puntos bajos de producción de energía renovable. El proceso consiste en la electrólisis del agua mediante electricidad para crear hidrógeno (que en parte se puede utilizar directamente en pilas de combustible) y la adición de dióxido de carbono CO 2 (proceso Sabatier) para crear metano. El CO 2 se puede extraer del aire o de los gases residuales de los combustibles fósiles mediante el proceso de amina , entre muchos otros. Es un sistema con bajo contenido de CO 2 y tiene eficiencias similares al sistema energético actual.
Una planta de energía a gas de 6 MW entró en producción en Alemania en 2013 y propulsó una flota de 1500 Audi A3. [15]
Síntesis de amoniaco
En la producción de amoníaco, el CO y el CO 2 se consideran venenos para los catalizadores más utilizados. [16] Los catalizadores de metanización se agregan después de varios pasos de producción de hidrógeno para evitar la acumulación de óxido de carbono en el circuito de síntesis de amoníaco, ya que el metano no tiene efectos adversos similares en las tasas de síntesis de amoníaco.
Soporte vital de la Estación Espacial Internacional
Los generadores de oxígeno a bordo de la Estación Espacial Internacional producen oxígeno a partir del agua mediante electrólisis ; el hidrógeno producido fue previamente descartado al espacio. A medida que los astronautas consumen oxígeno, se produce dióxido de carbono, que luego debe eliminarse del aire y desecharse también. Este enfoque requirió el transporte regular de grandes cantidades de agua a la estación espacial para la generación de oxígeno, además de la utilizada para el consumo humano, la higiene y otros usos, un lujo que no estará disponible para futuras misiones de larga duración más allá de la órbita terrestre baja. .
La NASA está utilizando la reacción de Sabatier para recuperar agua del dióxido de carbono exhalado y el hidrógeno previamente descartado de la electrólisis en la Estación Espacial Internacional y posiblemente para misiones futuras. [17] [18] La otra sustancia química resultante, el metano, se libera al espacio. A medida que la mitad del hidrógeno de entrada se desperdicia como metano, se suministra hidrógeno adicional desde la Tierra para compensar la diferencia. Sin embargo, esto crea un ciclo casi cerrado entre agua, oxígeno y dióxido de carbono que solo requiere una cantidad relativamente modesta de hidrógeno importado para su mantenimiento.
Ignorando otros resultados de la respiración, este ciclo parece [ cita requerida ] :
El ciclo podría cerrarse aún más si el metano residual se separara en sus partes componentes mediante pirólisis , cuya alta eficiencia (hasta un 95% de conversión) se puede lograr a 1200 ° C: [19]
El hidrógeno liberado se reciclaría de nuevo al reactor Sabatier, dejando un depósito de grafito pirolítico que se eliminaría fácilmente . El reactor sería poco más que una tubería de acero y podría ser reparado periódicamente por un astronauta donde se cincela el depósito. [ cita requerida ]
Alternativamente, el circuito podría cerrarse parcialmente (75% de H 2 del CH 4 recuperado) mediante pirólisis incompleta del metano residual mientras se mantiene el carbono encerrado en forma gaseosa como acetileno : [20]
La reacción de Bosch también está siendo investigada por la NASA para este propósito y es: [21]
La reacción de Bosch presentaría un ciclo de hidrógeno y oxígeno completamente cerrado que solo produce carbono atómico como desecho. Sin embargo, las dificultades para mantener su temperatura de hasta 600 ° C y el manejo adecuado de los depósitos de carbono significan que se requerirá mucha más investigación antes de que un reactor de Bosch pueda convertirse en una realidad. Un problema es que la producción de carbono elemental tiende a ensuciar la superficie del catalizador (coquización), lo que es perjudicial para la eficiencia de la reacción.
Propelente de fabricación en Marte
La reacción de Sabatier se ha propuesto como un paso clave para reducir el costo de la misión humana a Marte ( Mars Direct , SpaceX Starship ) mediante la utilización de recursos in situ . El hidrógeno se combina con el CO 2 de la atmósfera, luego se almacena el metano como combustible y el producto del lado del agua se electroliza produciendo oxígeno para licuarlo y almacenarlo como oxidante e hidrógeno para reciclarlo de nuevo al reactor. El hidrógeno original podría transportarse desde la Tierra o separarse de las fuentes de agua marcianas. [22] [23]
Importación de hidrógeno
Importar una pequeña cantidad de hidrógeno evita buscar agua y solo usa el CO 2 de la atmósfera.
"Se puede usar una variación de la reacción de metanización básica de Sabatier a través de un lecho de catalizador mixto y un cambio de gas de agua inverso en un solo reactor para producir metano a partir de las materias primas disponibles en Marte, utilizando dióxido de carbono en la atmósfera marciana. Una prueba de prototipo de 2011 operación que recolectó CO 2 de una atmósfera marciana simulada y lo hizo reaccionar con H 2 , produjo propulsor de cohete metano a una tasa de 1 kg / día, operando de manera autónoma durante 5 días consecutivos, manteniendo una tasa de conversión cercana al 100%. Un sistema optimizado de este diseño con una masa de 50 kg "se proyecta para producir 1 kg / día de propulsor O 2 : CH 4 ... con una pureza de metano del 98 +% mientras consume ~ 17 kWh por día de energía eléctrica (a una potencia continua de 700 W) . La tasa de conversión unitaria general esperada del sistema optimizado es de una tonelada de propulsor por cada 17 MWh de entrada de energía. [24] "
Problema de estequiometría con la importación de hidrógeno
La relación estequiométrica de oxidante y combustible es 2: 1, para un motor de oxígeno: metano:
Sin embargo, una pasada a través del reactor Sabatier produce una proporción de solo 1: 1. Se puede producir más oxígeno ejecutando la reacción de cambio de agua-gas (WGSR) en reversa (RWGS), extrayendo efectivamente oxígeno de la atmósfera al reducir el dióxido de carbono a monóxido de carbono .
Otra opción es producir más metano del necesario y pirolizar el exceso en carbono e hidrógeno (ver la sección anterior), donde el hidrógeno se recicla al reactor para producir más metano y agua. En un sistema automatizado, el depósito de carbono puede eliminarse mediante voladura con CO 2 marciano caliente , oxidando el carbono en monóxido de carbono (a través de la reacción de Boudouard ), que se ventila. [25]
Una cuarta solución al problema de la estequiometría sería combinar la reacción de Sabatier con la reacción de cambio inverso de agua y gas (RWGS) en un solo reactor de la siguiente manera: [ cita requerida ]
Esta reacción es ligeramente exotérmica y cuando se electroliza el agua se obtiene una relación de oxígeno a metano de 2: 1.
Independientemente del método de fijación de oxígeno que se utilice, el proceso general se puede resumir mediante la siguiente ecuación: [ cita requerida ]
En cuanto a las masas moleculares, hemos producido 16 gramos de metano y 64 gramos de oxígeno utilizando 4 gramos de hidrógeno (que tendría que importarse de la Tierra, a menos que se electrolizara agua marciana), para una ganancia de masa de 20: 1; y el metano y el oxígeno están en la proporción estequiométrica correcta para ser quemados en un motor de cohete. Este tipo de utilización de recursos in situ daría como resultado un enorme ahorro de peso y costos para cualquier misión tripulada de Marte o de retorno de muestras propuesta.
Ver también
- Utilización de recursos in situ : uso astronáutico de materiales recolectados en el espacio ultraterrestre
- Microlith (reactor catalítico) [26]
- Cronología de las tecnologías de hidrógeno
- Reformado con vapor
- Pirolisis de metano (para hidrógeno)
- Proceso de Fischer-Tropsch : reacciones químicas que convierten el monóxido de carbono y el hidrógeno en hidrocarburos líquidos.
- Electrometanogénesis
- Reducción electroquímica de dióxido de carbono.
Referencias
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El hidrógeno se puede obtener a partir del metano mediante pirólisis en el intervalo de temperaturas de 1000 ° -1200 ° C. Los principales productos de reacción son el hidrógeno y el carbono, aunque se forman cantidades muy pequeñas de hidrocarburos superiores, incluidos los hidrocarburos aromáticos. La eficiencia de conversión es aproximadamente del 95% a 1200 ° C. Es necesario distinguir entre conversión de equilibrio termodinámico y conversión limitada por cinética en un reactor finito
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- ^ Reactor Sabatier compacto y ligero para la reducción de dióxido de carbono
enlaces externos
- Una misión con tripulación a Marte
- Desarrollo de un reactor Sabatier mejorado
- Reacciones de Sabatier mejoradas para la utilización de recursos in situ en misiones a Marte
- Teoría, videos e instrucciones experimentales de metanización catalítica