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La reacción de Sabatier o proceso de Sabatier produce metano y agua a partir de la reacción de hidrógeno con dióxido de carbono a temperaturas elevadas (óptimamente 300–400 °C) y presiones (quizás 3 megapascales; 440 psi; 30 bar [ 1 ] ) en presencia de un catalizador de níquel . Fue descubierta por los químicos franceses Paul Sabatier y Jean-Baptiste Senderens en 1897. Opcionalmente, el rutenio sobre alúmina (óxido de aluminio) constituye un catalizador más eficiente. Se describe mediante la siguiente reacción exotérmica : [ 2 ]
- ∆ H = −165,0 kJ/mol
![{\displaystyle {\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\xrightarrow[{\mathrm {presión} {\vphantom {A}}^{+}\mathrm {catalizador} }]{400\ {\vphantom {A}}^{\circ }\mathrm {C} }} {}\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1e92f5f35475db6e8f4e8ebbe2160560c599d66d)
Existe desacuerdo sobre si la metanación del CO₂ ocurre primero mediante la adsorción asociativa de un átomo de hidrógeno y la formación de intermedios de oxígeno antes de la hidrogenación, o mediante la disociación y la formación de un carbonilo antes de ser hidrogenado. [ 3 ]
- ∆ H = −206 kJ/mol
![{\displaystyle {{\text{CO}}{}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}{\text{CH4}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f45e2872b77a7515bfde7038be123e84de8f8c75)
Se cree que la metanación del CO se produce mediante un mecanismo disociativo en el que se rompe el enlace carbono-oxígeno antes de la hidrogenación, observándose un mecanismo asociativo únicamente a altas concentraciones de H2 .
Las reacciones de metanación sobre diferentes catalizadores metálicos , incluidos Ni, [ 4 ] Ru [ 5 ] y Rh [ 6 ], se han investigado ampliamente para la producción de CH 4 a partir de gas de síntesis y otras iniciativas de conversión 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 (GNS). [ 7 ] El carbón o la madera se someten a gasificación, lo que crea un gas de síntesis que debe someterse a metanización para producir un gas utilizable que solo necesita someterse a una etapa final de purificación.
La primera planta comercial de gas sintético se inauguró en 1984 y es la planta Great Plains Synfuels en Beulah, Dakota del Norte. [ 2 ] En 2016, seguía en funcionamiento y producía 1500 MW de gas natural sintético utilizando carbón como fuente de carbono. Desde su inauguración, se han abierto otras instalaciones comerciales que utilizan otras fuentes de carbono, como astillas de madera. [ 2 ]
En Francia, AFUL Chantrerie, ubicada en Nantes , inauguró en noviembre de 2017 el proyecto piloto MINERVE. La planta abastece una estación de gas natural comprimido y, en ocasiones, inyecta metano en una caldera de gas natural. [ 8 ]
La reacción de Sabatier se ha utilizado en sistemas energéticos dominados por energías renovables para utilizar el exceso de electricidad generada por energía eólica, solar fotovoltaica, hidráulica, corriente marina, etc., para producir metano a partir de hidrógeno obtenido mediante electrólisis del agua. [ 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. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] El metano puede utilizarse bajo demanda para generar electricidad, superando así los puntos bajos de producción de energía renovable. El proceso consiste en la electrólisis del agua mediante electricidad para crear hidrógeno (que puede utilizarse parcialmente de forma directa en pilas de combustible) y la adición de dióxido de carbono CO 2 (reacción de Sabatier) para crear metano. El CO 2 puede extraerse del aire o de los gases residuales de combustibles fósiles mediante el proceso de amina .
Una planta de conversión de energía a gas de 6 MW entró en producción en Alemania en 2013 y suministró energía a una flota de 1.500 Audi A3 . [ 15 ]
Síntesis de amoníaco
En la producción de amoníaco, el CO y el CO₂ se consideran venenos para la mayoría de los catalizadores de uso común. [ 16 ] Los catalizadores de metanación se agregan después de varias etapas de producción de hidrógeno para evitar la acumulación de óxido de carbono en el ciclo de síntesis de amoníaco, ya que el metano no tiene efectos adversos similares en las tasas de síntesis de amoníaco.
Sistema de soporte vital de la Estación Espacial Internacional
Los generadores de oxígeno a bordo de la Estación Espacial Internacional producen oxígeno a partir de agua mediante electrólisis ; el hidrógeno producido se desechaba anteriormente en el espacio. A medida que los astronautas consumen oxígeno, se produce dióxido de carbono, que debe eliminarse del aire y desecharse también. Este método requería 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 del hidrógeno previamente desechado por electrólisis en la Estación Espacial Internacional y posiblemente para futuras misiones. [ 17 ] [ 18 ] El otro compuesto químico resultante, el metano, se libera al espacio. Dado 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 mantenerse.
![{\displaystyle {2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\xrightarrow {\text{electrolisis}} } {}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\xrightarrow {\text{respiración}} } {}\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}{\overset {\mathrm {agregado} }{2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}+{}{\overset {\mathrm {descartado} }{\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20b6909a6e66d2cacc108f92bc5a69cf290179f5)
El ciclo podría cerrarse aún más si el metano residual se separara en sus componentes mediante pirólisis , cuya conversión de alta eficiencia (hasta el 95%) puede lograrse a 1200 °C: [ 19 ]
![{\displaystyle {\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}\mathrel {\xrightarrow {\text{calor}} } {}\mathrm {C} {}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b5f8fe0242166a3eccbb23bb6d026311cb75d856)
El hidrógeno liberado se reciclaría de nuevo en el reactor Sabatier, dejando un depósito de grafito pirolítico fácilmente extraíble . El reactor sería poco más que un tubo de acero, y un astronauta podría realizarle mantenimiento periódicamente para retirar el depósito mediante cinceles.
Alternativamente, el ciclo podría cerrarse parcialmente (75% de H 2 de CH 4 recuperado) mediante la pirólisis incompleta del metano residual mientras se mantiene el carbono atrapado en forma gaseosa como acetileno : [ 20 ]
![{\displaystyle {2\,\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}\mathrel {\xrightarrow {\text{calor}} } {}\mathrm {C} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/84504118c8c5ab21b990e7ddaa54e4fe7f283293)
La reacción de Bosch también está siendo investigada por la NASA con este propósito, que es: [ 21 ]
![{\displaystyle {\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {C} {}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/486eb26df0877e95c3ff30bda0dfe864a52f9c3c)
La reacción de Bosch presentaría un ciclo de hidrógeno y oxígeno completamente cerrado que solo produce carbono atómico como residuo. Sin embargo, las dificultades para mantener su temperatura de hasta 600 °C y el manejo adecuado de los depósitos de carbono implican 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 cual perjudica la eficiencia de la reacción.
Fabricación de propelente en Marte
La reacción de Sabatier se ha propuesto como un paso clave para reducir el coste de las misiones tripuladas a Marte ( Mars Direct , SpaceX Starship ) mediante la utilización de recursos in situ . El hidrógeno se combina con CO₂ de la atmósfera, el metano se almacena como combustible y el agua resultante se electroliza para producir oxígeno, que se licúa y se almacena como oxidante, mientras que el hidrógeno se recicla de nuevo al reactor. El hidrógeno original podría transportarse desde la Tierra o separarse de fuentes de agua marcianas. [ 22 ] [ 23 ]
Importar hidrógeno
Importar una pequeña cantidad de hidrógeno evita la búsqueda de agua y solo utiliza CO₂ de la atmósfera.
"Una variación de la reacción básica de metanación de Sabatier puede utilizarse mediante un lecho de catalizador mixto y una reacción inversa de desplazamiento de gas de agua 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 piloto realizada en 2011, que extrajo CO₂ de una atmósfera marciana simulada y lo hizo reaccionar con H₂ , produjo propulsor de cohete de metano a una tasa de 1 kg/día, operando de forma autónoma durante 5 días consecutivos y manteniendo una tasa de conversión cercana al 100%. Se proyecta que un sistema optimizado de este diseño, con una masa de 50 kg, produzca 1 kg/día de propulsor de O₂ : CH₄ ... con una pureza de metano superior al 98%, consumiendo aproximadamente 17 kWh por día de energía eléctrica (a una potencia continua de 700 W). La tasa de conversión unitaria global esperada del sistema optimizado es de una tonelada de propulsor por cada 17 MWh de energía de entrada. [ 24 ] "
Problema estequiométrico con la importación de hidrógeno
La relación estequiométrica de oxidante y combustible es de 2:1 para un motor de oxígeno/metano:
![{\displaystyle {\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}2\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15ab4eaec6907cc1b1f1a8d0cede5ef9087e5438)
Sin embargo, un solo paso por el reactor Sabatier produce una proporción de solo 1:1. Se puede producir más oxígeno haciendo funcionar la reacción de desplazamiento del gas de agua (WGSR) en sentido inverso (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 para obtener carbono e hidrógeno (véase la sección anterior), donde el hidrógeno se recicla de nuevo en el reactor para producir más metano y agua. En un sistema automatizado, el depósito de carbono se puede eliminar mediante la inyección de CO₂ marciano caliente , oxidando el carbono a monóxido de carbono (a través de la reacción de Boudouard ), que se libera a la atmósfera. [ 25 ]
Una cuarta solución al problema de la estequiometría sería combinar la reacción de Sabatier con la reacción inversa de desplazamiento del gas de agua (RWGS) en un solo reactor de la siguiente manera:
![{\displaystyle {3\,\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}6\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}2\,\mathrm {CO} {}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bccf006869193ac5afca8ffd8d30dba8ea28c289)
Esta reacción es ligeramente exotérmica, y cuando se electroliza el agua, se obtiene una relación oxígeno-metano de 2:1.
Independientemente del método de fijación de oxígeno que se utilice, el proceso general se puede resumir en la siguiente ecuación:
![{\displaystyle {2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}3\,\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}2\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {CO} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6fdcd0186f91f680ea4663be215e6f7c18cec768)
En cuanto a las masas moleculares, se han producido 16 gramos de metano y 64 gramos de oxígeno utilizando 4 gramos de hidrógeno (que habría que importar de la Tierra, a menos que se electrolizara el agua marciana), con una ganancia de masa de 20:1; y el metano y el oxígeno se encuentran en la proporción estequiométrica adecuada para ser quemados en un motor de cohete. Este tipo de aprovechamiento de recursos in situ supondría un ahorro considerable de peso y costes para cualquier misión tripulada a Marte o de retorno de muestras.
Véase también
- Utilización de recursos in situ : uso astronómico de materiales extraídos en el espacio exterior.
- Microlith (reactor catalítico) – Marca de reactor catalítico [ 26 ]
- Cronología de las tecnologías del hidrógeno
- Reformado con vapor : método para producir hidrógeno y monóxido de carbono a partir de combustibles de hidrocarburos.
- Pirólisis del metano (para la producción de hidrógeno)
- Proceso Fischer-Tropsch : reacciones químicas que convierten el monóxido de carbono y el hidrógeno en hidrocarburos líquidos.
- Electrometanogénesis
- Reducción electroquímica del dióxido de carbono
- Proceso Haber : proceso industrial para la producción de amoníaco.
Referencias
- ↑ "Proceso de metanación" . Proyecto HELMETH . Archivado del original el 3 de diciembre de 2020. Consultado el 13 de noviembre de 2020 .
- 1 2 3 4 Rönsch, Stefan; Schneider, Jens; Matthischke, Steffi; Schlüter, Michael; Götz, Manuel; Lefebvre, Jonathan; Prabhakaran, Praseeth; Bajohr, Siegfried (15 de febrero de 2016). "Revisión sobre metanación: desde los fundamentos hasta los proyectos actuales". Combustible . 166 : 276– 296. Bibcode : 2016Combustible..166..276R . doi : 10.1016/j.fuel.2015.10.111 .
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El hidrógeno se puede obtener del metano mediante pirólisis en el rango de temperatura de 1000° a 1200°C. Los principales productos de reacción son hidrógeno y carbono, aunque se forman cantidades muy pequeñas de hidrocarburos superiores, incluidos los hidrocarburos aromáticos. La eficiencia de conversión es de aproximadamente el 95 % a 1200°C. Es necesario distinguir entre la conversión en equilibrio termodinámico y la conversión limitada por la cinética en un reactor finito.
- ↑ "Desarrollo de PPA avanzados de tercera generación" . Conferencia Internacional sobre Sistemas Ambientales 2014. Archivado del original el 10 de junio de 2016. Consultado el 5 de febrero de 2016 .
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Enlaces externos
- Una misión tripulada a Marte
- Desarrollo de un reactor Sabatier mejorado
- Reacciones Sabatier mejoradas para la utilización de recursos in situ en misiones a Marte.
- Instrucciones experimentales, vídeos y teoría sobre la metanación catalítica.
- Hidrógeno
- Metano
- Reacciones redox orgánicas
- Reacciones de nombres
- Catálisis
- Tecnologías de combustibles sintéticos