La reacción de Sabatier , o proceso de Sabatier , es una reacción química , descubierta en 1897 por los químicos franceses Paul Sabatier y Jean-Baptiste Senderens , que permite producir metano CH 4 .y agua H 2 Ode dióxido de carbono CO 2e hidrógeno H 2a alta temperatura y presión - idealmente de 300 a 400 ° C . Este proceso también se llama hidrogenación de CO 2 a metano o metanización de CO 2. La reacción es exotérmica y la conversión estequiométrica de dióxido de carbono libera 164 kilojulios por mol .
∆ H = −165,0 kJ / mol. (ecuación 1)La metanización de dióxido de carbono permite el almacenamiento químico de electricidad en el caso de que el hidrógeno suministrado se produzca por electrólisis (PtG - Power-to-Gas )
La metanización de CO 2 (Ecuación 1) es una combinación lineal de la metanización de monóxido de carbono CO (Ecuación 2) y la reacción inversa de gas a agua (Ecuación 3).
El mecanismo de esta reacción no se comprende completamente y no está claro si la metanización de dióxido de carbono comienza con la adsorción asociativa de un adatomo de hidrógeno para formar un intermedio oxigenado antes de la hidrogenación o por una disociación que da un carbonilo antes de la hidrogenación.
CO + 3 H 2⟶ CH 4+ H 2 O ; ∆ H = - 206 kJ / mol . (ecuación 2) CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O; ∆ H = 41 kJ / mol. (ecuación 3)La suma de estas dos reacciones da la reacción de Sabatier, así como el valor de su entalpía de reacción:
CO 2 + 4 H 2⟶ CH 4+ 2 H 2 O ; ∆ H = - 165 kJ / mol . (ecuación 1)Se cree que la metanización del carbonilo implica un mecanismo disociativo en el que el enlace carbono - oxígeno se rompe antes de la hidrogenación mediante un mecanismo asociativo observado solo a altas concentraciones de hidrógeno. Se han estudiado en detalle varios catalizadores metálicos , en particular a base de níquel , rutenio y rodio para la producción de metano a partir de gas de síntesis y otras aplicaciones para convertir energía en gas; el níquel sigue siendo el más utilizado debido a su alta selectividad y bajo costo. La naturaleza del soporte juega un papel importante en la interacción entre el níquel y el soporte, y por tanto determina la actividad catalítica y la selectividad para la metanización de CO 2 . Un soporte comercial típico para el proceso es la alúmina Al 2 O 3
La metanización de óxidos de carbono es un paso importante en la producción de gas natural sintético (in) o sustitución (GNS). El procedimiento comprende gasificantes de carbón o madera para la obtención de metano por simple purificación de los gases - esencialmente monóxido de carbono CO y el hidrógeno H 2 - después de su metanización.
La primera planta comercial que produce gas natural sintético fue inaugurada en 1984 por Dakota Gasification Company (en) en Beulah en Dakota del Norte ; Treinta años después, todavía estaba en funcionamiento, produciendo el equivalente a 1.500 MW de gas natural sintético a partir de carbón y materiales carbonosos. Desde entonces, se han abierto otras instalaciones que utilizan otras fuentes de carbono, como astillas de madera.
El CO y CO 2son venenos para la mayoría de los catalizadores utilizados para la producción de amoniaco NH 3, de modo que los catalizadores de metanización se añaden después de varias etapas de producción de hidrógeno para evitar la acumulación de CO y CO 2en unidades de síntesis de amoníaco, porque el metano tiene un efecto significativamente menor que los óxidos de carbono en la tasa de producción de amoníaco.
Los generadores de oxígeno de la Estación Espacial Internacional producen oxígeno O 2por electrólisis de agua H 2 O, que libera hidrógeno H 2. Posteriormente, la respiración de los astronautas convierte este oxígeno en dióxido de carbono CO 2. El hidrógeno y el dióxido de carbono son generalmente desechos que se liberan al espacio, lo que provoca una pérdida significativa de agua y no es una solución viable para misiones largas. La reacción de Sabatier permite, al proporcionar hidrógeno adicional, regenerar agua a partir de dióxido de carbono e hidrógeno producido por la respiración de los astronautas y por la electrólisis del agua destinada a producir oxígeno. Sería posible cerrar aún más el ciclo recuperando el hidrógeno contenido en el metano, por ejemplo por pirólisis , que puede ser completo y producir negro de humo liberando todo el hidrógeno, o incompleto y producir acetileno. C 2 H 2 liberando solo el 75% del hidrógeno, el resto debe traerse del exterior para abastecer el ciclo:
CH 4⟶ C + 2 H 2 ; 2 CH 4⟶ C 2 H 2+ 3 H 2.La reacción de Bosch también ofrece una alternativa estudiada por la NASA :
CO 2+ 2 H 2⟶ C + 2 H 2 Oa 600 ° C .Cette réaction permettrait de survivre en circuit fermé, mais requiert une température de 600 °C , difficile à maintenir dans un vaisseau spatial, et génère du carbone qui tend à altérer la surface du catalyseur par cokage , ce qui rend délicate sa mise en œuvre effective en el espacio.
La reacción de Sabatier se ha propuesto como un elemento clave para reducir el coste de las misiones tripuladas a Marte , como Mars Direct y el Sistema de Transporte Interplanetario , basándose en el uso de recursos in situ ( ISRU ). Se trata de utilizar dióxido de carbono de la atmósfera de Marte , este último compuesto por más del 95% de CO 2, para producir metano CH 4, utilizado como combustible y agua H 2 O, siendo este último a su vez electrolizado para producir oxígeno O 2, utilizado como oxidante e hidrógeno H 2, reciclado para la reducción de metano al inicio del ciclo. El hidrógeno necesario para iniciar el ciclo podría traerse de la Tierra o producirse directamente en el sitio mediante la electrólisis del agua marciana .
Es posible combinar la reacción de Sabatier con la reacción inversa de agua y gas ( RWGS ) en un solo reactor para utilizar directamente el dióxido de carbono de la atmósfera marciana y el agua del suelo o de la atmósfera terrestre de Marte para producir metano. Un prototipo de un reactor de este tipo se produjo en 2011 y funcionó de forma autónoma durante cinco días produciendo 1 kg de propelente de metano / oxígeno por día a partir de CO 2extraído de una atmósfera marciana reconstituida y con un rendimiento cercano al 100%. Una versión optimizada de 50 kg de este tipo de reactor "debería producir 1 kg / día de propulsor O 2" ./ CH 4(...) con una pureza de metano del 98% y con un consumo de 700 W de corriente eléctrica . La tasa de conversión para una unidad optimizada de este tipo sería de una tonelada de propulsor por 17 MWh .
La relación de mezcla estequiométrica entre oxidante y agente reductor es 2: 1 en el caso de propelente oxígeno / metano:
CH 4+ 2 O 2⟶ CO 2+ 2 H 2 O.Sin embargo, un reactor Sabatier produce oxígeno y metano en una proporción de 1: 1; la reacción inversa del gas al agua puede proporcionar el oxígeno faltante, en forma de agua para ser electrolizada:
CO 2+ H 2⟶ CO + H 2 O.Este proceso también permite almacenar el excedente de energía solar o eólica en forma de metano. Existe un logro concreto (desde 2011) en Alemania , el del Parque Energético Morbach .