Estudio teórico-experimental de la adsorción y reducción catalítica de SO₂ sobre CR₂O₃/AL₂O₃ en presencia de CH₄ y O₂ a altas temperaturas

Abstract

La emisión de dióxido de azufre por chimeneas industriales constituye una de las principales problemáticas ambientales, con las consecuencias ya conocidas de problemas para la salud de la población y con efectos nocivos como la lluvia ácida. En las chimeneas industriales, la reducción del SO2 ocurre por reacción con CH4, a la vez que este último es oxidado a CO2. La reacción completa ocurre en presencia del oxígeno atmosférico. Esta conversión es de gran importancia a nivel ambiental debido a que cada molécula de CH4 contamina como si se emitieran 21 moléculas de CO2 a la atmósfera (por lo tanto, al emitir CO2 en su lugar, se provoca un efecto contaminante 21 veces menor). El objetivo del presente trabajo de tesis doctoral fue el estudio del comportamiento de adsorción y reducción catalítica de SO2 sobre Cr2O3/Al2O3 en presencia de CH4 y O2 a altas temperaturas, a nivel experimental y teórico. Durante este trabajo, se variaron condiciones experimentales como las proporciones de los caudales de los gases reactivos, el intervalo de temperaturas y la masa de catalizador. En el estudio teórico las condiciones que se variaron fueron la cantidad, el tipo, la posición y el ángulo de acercamiento de las moléculas de adsorbato sobre la superficie del catalizador. Por lo tanto, el presente trabajo se divide en dos partes. En una primera parte experimental, se caracterizaron los óxidos de metales de transición soportados en alúmina, con el objeto de hallar las condiciones más aptas para lograr la mayor eficiencia posible en cada uno de ellos, para la adsorción del SO2. Tales catalizadores son los óxidos de Co, Ni, Fe, V, Mn, Cr y Mo, y las variables que se analizan son temperatura, caudal de SO2 y masa de óxido. El Cr2O3/Al2O3 resultó ser el mejor adsorbente de SO2 entre los estudiados. La adsorción de SO2 es un proceso de quimisorción con formación de especies sulfito superficiales sobre sitios básicos, acompañado de un proceso de óxido-reducción del ión metálico. Apoya este mecanismo el hecho de que la cantidad de SO2 adsorbido disminuye con el incremento de la temperatura (a partir de los 923K), debido a una modificación de la superficie específica causada por las altas temperaturas de trabajo. El uso de este catalizador se justifica además por su resistencia térmica, mecánica y su posibilidad de regeneración. Luego, se procedió con el estudio de la oxidación de CH4 con O2 y/o SO2 y la formación de CO2 sobre el Cr2O3/Al2O3. Además, se apuntó al estudio de las propiedades ácido-base y redox en una misma superficie. Finalmente se estudió la influencia del O2, y sus modificaciones en la reacción entre SO2 y CH4. Se tuvo como objeto hallar la temperatura a la cual comienza la producción de CO2, y en base al comportamiento de las curvas registradas, determinar la energía de activación y el orden de la reacción global, comparando luego estos valores con los obtenidos mediante los cálculos teóricos. La segunda parte del presente trabajo de Tesis consiste en el estudio de la adsorción del SO2, el CH4, el O2 y el CO2 sobre el Cr2O3 (0001) en forma individual, mediante cálculos teóricos basados en la Teoría Funcional de la Densidad (DFT). El objetivo fue determinar las energías de adsorción de las especies involucradas y sus sitios preferenciales de adsorción, hallar los tipos de especies adsorbidas en superficie junto con sus frecuencias vibracionales. Luego se estudió la co-adsorción del SO2 con el CH4, del SO2 con el O2 y del CH4 con el O2, con el objeto de estudiar los mecanismos de disociación de las moléculas por medio de la disociación y formación de nuevos compuestos en superficie,