Desarrollo de un proceso innovador para la valorización de CO2electrosíntesis de carbonatos orgánicos utilizando líquidos iónicos

Resumen

El aumento de la demanda energética y la dependencia de los combustibles fósiles en el modelo energético actual, han puesto de manifiesto la necesidad de promover modelos más respetuosos con el medio ambiente dirigidos hacia el empleo de energías renovables y la economía baja en carbono, estrategias que permitan reducir los gases de efecto invernadero y mitigar el cambio climático. En este sentido, la integración de energías renovables con la electrosíntesis de productos permite la autosuficiencia energética del proceso. El dimetil carbonato (DMC) ha suscitado un interés creciente en las últimas décadas, no solo debido a su capacidad de sustitución del fosgeno en la síntesis de policarbonatos sino también a su potencial uso como aditivo en combustibles. Los altos costes e implicaciones ambientales de las tecnologías comerciales de producción de DMC, como la carbonilación de metanol, limitan su uso e impulsan el desarrollo de tecnologías alternativas basadas en la reutilización de carbono. En este contexto, la presente tesis doctoral tiene 2 objetivos: (i) el estudio de la reacción de electrosíntesis de DMC a partir de CO2 y metanol en presencia de líquidos iónicos en una celda electroquímica tipo filtro prensa; y (ii) la evaluación de la sostenibilidad ambiental del proceso mediante el análisis de ciclo de vida. En la primera parte de la tesis, se diseña y pone a punto la instalación experimental para el estudio de la electrosíntesis de DMC cuyo núcleo central es una celda electroquímica filtro-prensa y se desarrolla el método analítico de determinación de DMC y subproductos en la fase líquida. Se evalúa la viabilidad técnica del proceso, lo que incluye el estudio de la influencia de la composición del medio utilizado y la influencia de la configuración de la celda electroquímica. Se analiza la operación en celda dividida por una membrana de intercambio catiónico de Nafion y se compara con los resultados obtenidos empleando 6 membranas de intercambio aniónico y en ausencia de membrana. Se obtiene una concentración final de 85 mmol·L-1 (0,9% en peso) en ausencia de membrana tras 48h de operación. Aunque se obtienen resultados similares comparando el empleo de Nafion y la membrana de intercambio aniónico con mejor comportamiento, la evolución de la concentración de DMC con el tiempo es diferente. Se propone finalmente un modelo cinético que describe el comportamiento experimental del sistema en las diferentes configuraciones estudiadas. La segunda parte de la tesis recoge el estudio de la sostenibilidad ambiental del proceso empleando la metodología de análisis de ciclo de vida. Se estiman los impactos ambientales y se comparan con los del proceso comercial de referencia para facilitar la identificación de oportunidades de mejora. Se lleva a cabo un análisis de sensibilidad para estudiar la influencia del rendimiento de la reacción en la ruta electroquímica. Los resultados obtenidos en esta tesis indican que el proceso de electrosíntesis de DMC a partir de metanol y CO2 es técnicamente viable y presenta un gran potencial de mejora, de manera que un aumento del rendimiento hasta el 20% sería suficiente para que el proceso tenga un menor potencial de calentamiento global que el de referencia.