Estudio teórico-experimental de la adsorción y reducción catalítica de SO₂ sobre Cr₂O₃/Al₂O₃ en presencia de CH₄ a altas temperaturas

Abstract

El presente trabajo estudia la adsorción y reducción catalítica de SO2 sobre Cr2O3/Al2O3 en presencia de CH4 y/u O2 a altas temperaturas. En la primera etapa, se caracterizaron óxidos de metales de transición, con el objeto de hallar las condiciones aptas para lograr la mayor eficiencia en cada uno, mediante la adsorción del SO2. El Cr2O3/Al2O3 resultó ser el mejor adsorbente de SO2 entre los estudiados, el cual oxida, mediante este compuesto y en presencia de O2, el gas CH4 para obtener CO2. En la tercera se estudió la influencia del O2, y sus modificaciones en la reacción entre SO2 y CH4. La información obtenida por métodos experimentales se comparó con cálculos teóricos, basados en DFT (Density Functional Theory). Para la fase experimental, los catalizadores se caracterizaron mediante difracción de Rayos X, XPS y BET, determinándose su estructura cristalina, composición, superficie específica y volumen de poros. Luego se realizaron espectros de adsorción y desorción programada del SO2 con O2 y/u CH4 con el propósito de determinar energías de activación de la reacción. Se experimentó con diferentes masas de catalizador y caudales de los gases, se estudió la influencia del oxígeno, y la regeneración del catalizador. La información experimental se combinó con cálculos teóricos, basados en DFT, con el propósito de determinar los sitios preferenciales de adsorción del SO2. Se empleó una supercelda hexagonal cuyas constantes de redes son: a = b = 4,954 y c = 20 Å. Luego, se calcularon las geometrías óptimas y las frecuencias vibracionales. Se realizó una estimación de la barrera de energía para la desorción de SO2 Cr2O3 policristalino mediante la ecuación de Polanyi-Wigner. El valor calculado de Eb =- 3,12 eV. Luego, en base a los estudios BET realizados sobre el Cr2O3, su superficie específica es 150 m2/g. Además, los parámetros de red superficiales son a = b = 4.954 Å [1]. El área calculada para esta superficie romboidal es 24.54 Å. Este valor es algo mayor que el obtenido experimentalmente (19.58 Å). Se observa que a una temperatura determinada, la cual ronda entre los 343 y los 363 K, el aporte de energía es el necesario para oxidar el CH4 con los átomos de oxígeno del SO2 y formar CO2. La concentración de este producto aumenta hasta llegar a un valor pico que excede las 200 ppm y a una temperatura no menor a los 793 K. Al hacer pasar 250 ml/min de O2 previo a las experiencias de retención, la capacidad de retención de SO2 disminuye hasta volverse nula. El pasaje de O2 previo a las disminuye significativamente la retención de SO2. Mediante cálculos teóricos se verifica que el O2 ocupa los espacios disponibles en la superficie.