Una forma ecológica y económica para convertir el metano en combustibles líquidos en un solo paso
En el proyecto ZEOCAT-3D, financiado con fondos europeos, se desarrolló una nueva tecnología para convertir directamente el metano en compuestos aromáticos de alto valor —benceno y naftaleno— e hidrógeno. El nuevo proceso puede convertir de forma más eficiente el metano de fuentes aisladas en combustibles líquidos transportables y, también, podría ayudar a la industria a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
Un proceso alternativo de un solo paso para la conversión de gas a líquido
La conversión del metano —el principal componente del gas natural y el biogás— en combustibles y materias primas para la industria química se denomina conversión de gas a líquido. La mayoría de las tecnologías convierten el metano y el dióxido de carbono en una mezcla de moléculas de hidrógeno y monóxido de carbono, denominada gas de síntesis. A partir del gas de síntesis pueden obtenerse diversos productos, como olefinas, gasolina, gasoil y compuestos oxigenados, mediante el conocido procedimiento Fischer-Tropsch. Además, el gas de síntesis puede convertirse en combustibles sintéticos y otros productos importantes mediante procesos de metanol a gasolina o de metanol a olefinas. «Estos métodos comerciales son viables a gran escala, pero implican múltiples pasos para la conversión del metano. Hasta ahora no se habían desarrollado y comercializado procesos directos a escala industrial», señala Maria Tripiana, coordinadora del proyecto. Es más, la conversión del gas de síntesis consume mucha energía y es cara, y hay que eliminar el oxígeno del gas de síntesis antes de convertirlo en hidrocarburos. «En ZEOCAT-3D, propusimos un método más viable, respetuoso con el medio ambiente y que elimina los pasos intermedios para la conversión del metano. Utilizamos una reacción química llamada deshidroaromatización, que convierte directamente el metano en compuestos aromáticos e hidrógeno», explica Tripiana. «Como alternativas al petróleo, el benceno y el naftaleno son materias primas muy interesantes para la producción de combustibles líquidos y productos químicos de alto valor. Además, se extrae hidrógeno como coproducto, que podría utilizarse en la producción de amoníaco o en pilas de combustible».
Las claves del éxito: catalizadores impresos en 3D y diseño avanzado de reactores
Los catalizadores existentes que se utilizan para acelerar la deshidroaromatización del metano no son muy eficaces. Los nuevos catalizadores de ZEOCAT-3D abordaron dos grandes retos que se interponían en el camino de esta reacción química: la dificultad para obtener los compuestos de alto valor objetivo, ya que a menudo se forman subproductos no deseados (escasa selectividad), y la rápida desactivación del catalizador debido a la deposición de carbono en sus poros, un proceso conocido como coquización. «Mediante el uso de modelos jerárquicos y simulaciones, demostramos que, si se controla el tamaño de las nanopartículas, su morfología y su grado de aglomeración, la coquización deja de ser un problema», subraya Tripiana. «En nuestro caso, utilizamos tratamiento digital de la luz para sintetizar en 3D zeolitas con mayor actividad catalítica. Fuimos los primeros en demostrar nuevas zeolitas jerárquicas con cuatro estructuras de poros distintas. Reunir dos o más topologías de poros de zeolita a mesoescala permite optimizar el transporte de nanopartículas y la conversión selectiva de los productos intermedios de la reacción», añade Tripiana. El prototipo de reactor catalítico integraba un sistema de purificación que producía metano con una pureza superior al 95 %, una membrana cerámica selectiva de hidrógeno y un sistema de filtración que eliminaba las partículas arrastradas en el flujo de los productos (carbonosas o cenizas). Este reactor compacto y modular trata ahora 4 l normales por minuto de flujo de gas y produce 40 gr por hora de productos de alto valor. El equipo de ZEOCAT-3D aportó nuevos conocimientos sobre el diseño de catalizadores y reactores muy eficientes para la producción de productos valiosos, reduciendo potencialmente las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que podría ser un elemento básico para una economía circular sostenible. Los resultados de ZEOCAT-3D guiarán futuros proyectos para llevar la tecnología propuesta a un nivel de madurez superior.
Palabras clave
ZEOCAT-3D, metano, gas de síntesis, zeolita, combustibles líquidos, compuestos aromáticos, productos químicos, coquización, catalizador impreso en 3D
