Uso de llantas residuales como materia prima para la elaboración de catalizadores de hierro y su aplicación en la síntesis Fischer-Tropsch

Abstract

RESUMEN : Uno de los métodos empleados en la actualidad para la producción de combustibles alternativos es el uso de gas de síntesis (CO + H2) como materia prima en el proceso de Fischer-Tropsch (FT). A nivel industrial, la reacción de síntesis Fisher-Tropsch se cataliza con materiales basados en hierro y cobalto debido a su actividad catalítica y bajo costo; sin embargo, el Fe presenta distintas ventajas respecto a los catalizadores de Co, resaltando la alta actividad en la reacción de desplazamiento agua – gas (H2O + CO → CO2 + H2), permitiendo emplear relaciones de gas de síntesis bajas (H2/CO < 2). Generalmente, los catalizadores Fischer-Tropsch basados en hierro se producen con sales comerciales (FeSO4.7H2O, Fe(NO3)3.9H2O), la cual se soporta en distintos sólidos como Al2O3, SiO2 o zeolitas, sin embargo estos materiales presentan alta interacción con el Fe, disminuyendo la actividad catalítica. Por este motivo, se buscan nuevos soportes para el desarrollo de estos materiales, encontrando que el carbón activado es un candidato ideal en la síntesis de distintos catalizadores. No obstante, emplear carbón activado obtenido a partir del carbón mineral a gran escala puede acarrear altos costos. Por lo anterior, nuevas investigaciones se enfocan en la preparación de materiales catalíticos a partir de residuos, resaltando el caucho de llanta como una fuente significativa de material carbonoso para la producción de carbón activado. En esta investigación se estudia la preparación de catalizadores basados en Fe, empleando como materia prima llantas residuales, para la síntesis de alcoholes de cadena larga mediante el proceso Fischer-Tropsch. Para ello, materiales como el acero y el caucho de llanta residual se recuperan mediante procesos de separación físicos, posteriormente, se usan para la obtención de una sal precursora de hierro y un soporte carbonoso con propiedades similares al carbón activado comercial.

El carbón obtenido en este trabajo se caracterizó mediante absorción atómica de Fe, Cu, Zn, Mn, Mg y Ni, isotermas de sorción de N2, imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis termogravimétrico. Se encontró que al tratar el caucho de llanta con ácido sulfúrico se mejoran las propiedades texturales del carbón resultante del proceso de pirólisis, logrando mayores áreas superficiales y volumen de poro. Además, presenta menor concentración de impurezas, debido a que el lavado ácido remueve la mayoría de los rellenos inorgánicos presenten en el caucho de llanta. El análisis termogravimétrico realizado a los materiales resultó acorde a los esperados según la literatura; además, el carbón sintetizado presentó propiedades fisicoquímicas similares al carbón activado comercial (grupos superficiales, degradación térmica y alta área superficial), por lo que se concluye que el carbón de llanta obtenido mediante el procedimiento empelado en el presente trabajo puede utilizarse como sustituto del carbón activado comercial para el desarrollo de catalizadores.

La sal precursora de hierro se obtuvo por disolución ácida del acero residual de llanta. Esta sal se caracterizó por espectroscopía infrarroja para determinar los grupos funcionales, análisis termogravimétrico para conocer el contenido de humedad y la descomposición térmica de la sal, difracción de rayos X para conocer las fases cristalinas presentes, y absorción atómica para determinar las impurezas. Los resultados de caracterización de la sal precursora de hierro permitieron concluir que la sal obtenida corresponde a sulfato de hierro heptahidratado; además, la sal precursora presentó propiedades fisicoquímicas similares al sulfato de hierro comercial.

Los catalizadores sintetizados presentaron especies activas para el proceso Fischer-Tropsch correspondientes al carburo de hierro Fe5C2, ácidos carboxílicos y carbono atómico, confirmados mediante difracción de rayos X y espectroscopía infrarroja. El catalizador con carga 5% Fe soportado en carbón de llanta presentó la mayor conversión de CO (61.87%) y selectividad hacia alcoholes de cadena larga (17.62%), por otro lado el catalizador preparado con materias primas comerciales presentó una conversión de CO del 59.17% y selectividad hacia alcoholes de cadena larga de 0.70%. La diferencia en la selectividad obtenida se asoció a la presencia de metales como el Cu, Zn y Mn en el catalizador preparado a partir de llantas residuales, los cuales modifican la actividad catalítica del Fe. Adicionalmente, se observó como al aumentar la carga de hierro en el catalizador incrementa la selectividad hacia alcoholes.

En este trabajo de investigación se muestra el desarrollo de catalizadores basados en hierro a partir del caucho y acero residual de llanta, los cuales presentaron actividad en la reacción de Fischer-Tropsch con selectividad hacia alcoholes de cadena larga. El documento está dividido en tres capítulos. En el primer capitulo se presenta el alcance de la investigación, el estado del arte relacionado con la valorización del caucho de llanta residual y la obtención de alcoholes de cadena larga en la síntesis Fischer-Tropsch, y se muestran algunos aspectos generales del marco teórico. Además, se incluyen los objetivos planteados en la investigación.

El segundo capítulo aborda la síntesis y caracterización de los precursores catalíticos, para lo cual se presenta la metodología experimental empleada para la síntesis del soporte carbonoso y la sal precursora de hierro a partir de caucho y acero residual de llanta. Además, se presentan los resultados de las propiedades fisicoquímicas de dichos materiales y se discute cada uno de los análisis, estableciendo comparaciones con materiales comerciales.

En el tercer capítulo se presenta la metodología experimental empleada para la síntesis de los catalizadores basados en hierro, además de su respectiva caracterización. Igualmente, se da a conocer la metodología experimental utilizada para las pruebas de actividad. Esta investigación aborda la exploración preliminar de la posible aplicación de los materiales sintetizados en el proceso Fischer-Tropsch para la obtención de alcoholes de cadena larga, por lo cual no se presentan estudios experimentales para la evaluación de las mejores condiciones de reacción. Finalmente, se presentan las conclusiones y algunas recomendaciones para continuar o complementar los resultados obtenidos.