Tesis doctoral


Titulo: Transferencia de oxígeno en catalizadores metálicos soportados en carbono

Profesores Patrocinantes: Ljubisa R Radovic outlink, Alfredo Gordon S. y Ximena García C.

Resumen


La emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) provenientes de la combustión convencional de hidrocarburos es un problema de interés considerable, pues se ha convertido en el principal desafío para la resolución del problema, cada vez más agudo, de smog urbano. Los óxidos de nitrógeno, además de ser parte tan importante de los contaminantes del aire, causan la acidificación de las lluvias, contribuyen al calentamiento global del planeta y pueden deteriorar la calidad del agua.
Las soluciones existentes para este problema son: (i) reducción selectiva catalítica (SCR), y (ii) reducción selectiva no-catalítica (SNCR). En ambos casos el agente reductor para NOx es un gas; los más usados son amoníaco, CO o hidrocarburos como CH4 y C3H8.
La tesis a realizar perseguirá la opción de optimizar el uso de un sólido derivado del carbón mineral como agente reductor de NO (óxido nítrico) o soporte de un catalizador metálico, ya que carbones obtenidos a partir de carbón mineral, han sido objeto varias publicaciones recientes que ilustran sus ventajas tanto tecnológicas como científicas.
Las ventajas económicas son obvias. El carbón mineral es una materia prima abundante y barata. Sus reservas en Chile, que se utilizan principalmente en plantas termoeléctricas, se estiman en por lo menos mil millones de toneladas . La eventual producción industrial de los catalizadores contemplados en este estudio, cuyo valor agregado superaría fácilmente tres órdenes de magnitud (p.ej., US$0.020/kg para carbón vs US$20/kg para catalizador), no sobrepasaría 1000 toneladas al año. Por ejemplo, si llegaran a utilizarse en automóviles, un simple cálculo de órdenes de magnitud revela lo siguiente: un “filtro” de NOx, que contiene 200 g de catalizador y se reemplaza dos veces al año, para satisfacer el mercado nacional (ca. un millón de vehículos), requeriría una producción anual de 400 toneladas.
Debido a la alta afinidad del carbono por el oxígeno, el cual siempre está presente en gases de escape de combustión (y sobre todo en los provenientes de los cada vez más populares motores diesel), uno de los principales desafíos es el de aumentar la selectividad de la reacción C + 2NO = CO2 + N2 vs. C + O2 = CO2.
Para complicar más esta tarea de optimización, es importante aprovechar el fenómeno curioso de que la presencia de pequeñas cantidades de oxígeno tiene un efecto beneficioso para la cinética de esta reducción de NO.
La solución ideal (y de mayor interés todavía) es la descomposición catalítica de NO en N2 y O2.
En tal caso no se consumiría el carbón y éste actuaría tan sólo como el catalizador en esta reacción. Esta alternativa sería un gran avance con respecto al actual estado de la ciencia y tecnología, ya que el uso de carbón como soporte y reactivo ha sido investigado muchísimo, pero como catalizador muchísimo menos, sobre todo en sus aspectos fundamentales.