El Laboratori de Catàlisi i Energia forma part del grup de recerca Nanoenginyeria de Materials Aplicats a l’Energia (NEMEN) de la UPC. Una de les seves principals activitats és el desenvolupament de catalitzadors i reactors catalítics per a tecnologies relacionades amb l’hidrogen. El grup NEMEN forma part de l’Institut de Tècniques Energètiques i del Departament d’Enginyeria Química de la UPC.
La permeació de l’hidrogen a través de membranes d’aliatge de pal·ladi es pot utilitzar per separar hidrogen de les impureses en els sistemes de processament de residus dels reactors de fusió nuclear, és a dir, el tractament dels gasos d’emissió del plasma i l’extracció de triti del blanket. Pel que fa als processos tradicionals, els sistemes de membranes es caracteritzen per la seva alta fiabilitat i el seu funcionament continu i, per tant, la seva aplicació en el cicle del combustible pot garantir una gestió eficient i segura d’una central de fusió. No obstant això, un inconvenient d’aquest mètode és l’enverinament de les membranes per les impureses (generalment monòxid de carboni, diòxid de carboni, metà, oxigen, nitrogen, aigua i amoníac), que es formen inevitablement durant el funcionament del reactor de fusió. Les impureses s’adhereixen fortament a les membranes, reduint considerablement la superfície accessible i, per tant, la permeabilitat de l’hidrogen. Si l’enverinament és sever, les reaccions superficials es tornen importants i pot succeir una marcada desviació de l’equació de Richardson, el que planteja importants dificultats per a la modelització. En aquest projecte estudiem el rendiment d’un reactor catalític de membrana (CMR), en el qual un catalitzador multicomponent capaç de descompondre i/o transformar les impureses, es posa al voltant de les membranes d’aliatge de Pd per protegir-les. Això constitueix l’objectiu de la tasca 2.4 de FusionCAT.
Figura 1. Imatge del catalitzador preparat i representació esquemàtica del funcionament del reactor catalític de membrana (CMR).
En el projecte FusionCAT, el primer objectiu del grup NEMEN és dissenyar un catalitzador adequat perquè les impureses reaccionin entre si sense consumir hidrogen, en les condicions de funcionament de les membranes d’aliatge de Pd. Es tracta d’una tasca difícil, ja que algunes de les reaccions a les quals es pretén arribar, com el reformat amb vapor de metà, la reacció Water Gas Shift i les reaccions d’oxidació preferent, impliquen diferents mecanismes de reacció i són sensibles a diferents condicions de funcionament. Donada la complexitat de la barreja d’impureses, s’ha dut a terme el disseny d’un catalitzador multicomponent per obtenir un catalitzador altament actiu, selectiu i estable. El catalitzador final s’ha formulat utilitzant nanopartícules metàl·liques seleccionades inserides en un suport inorgànic d’òxid mixt (Figura 1).
Després de la preparació i caracterització del catalitzador en pols amb diferents tècniques fisicoquímiques, s’ha estudiat el rendiment catalític en un reactor convencional de llit fix utilitzant diferents condicions de temperatura i procés per simular les que són rellevants en el cicle del combustible de fusió nuclear. El següent pas és desenvolupar el CMR i integrar el catalitzador en forma granulada amb la membrana d’aliatge de Pd (Figura 2), que és una membrana comercial de Pd-Ag, de ~ 40 micres de gruix, suportada sobre acer inoxidable porós, i estudiar el rendiment del dispositiu final sota diferents condicions de temperatura i pressió.
Figura 2. Imatge del sistema catalític utilitzat per realitzar les proves amb el reactor catalític de membrana (CMR).