Estudi de conversió de diòxid de carboni en reactor de plasma no tèrmic

L’increment de la demanda d’energia, el consum de combustibles fòssils i, en conseqüència, l’augment d’emissions de CO₂ requereix aprofundir en noves tecnologies de captura, emmagatzematge i consum de carboni, conegudes com CCUS per les seves sigles en anglès Carbon Capture Utilisation and Storage. Entre aquestes CCUS podem trobar diverses tecnologies de transformació del CO₂, com són tecnologies d’hidrogenació, d’electrocatàlisi, de termocatàlisi i reaccions en plasma. Els reactors de plasma permeten la transformació del CO₂, un component altament estable termodinàmicament, en productes de valor afegit, com és el CO, contribuint així a la disminució de les emissions ambientals. De fet, un reactor de plasma no tèrmic és capaç de ionitzar el diòxid de carboni a pressions i temperatures ambientals.

En aquest context, la Dra. Cristina Mas Peiró va dur a terme la seva tesi doctoral en el Departament d’Enginyeria Química i Ciència de Materials d’IQS School of Engineering, sota el títol Thermodinamic, Fluid Dynamic and Plasma Study of Gas Mixtures in a Non-Thermal Plasma Conversion Reactor, que va estar codirigida pel Dr. Oriol Pou Ibar, professor i investigador del Grup d’Enginyeria i Simulació de Processos Ambientals – GESPA, i el Dr. Félix Llovell Ferret, professor d’Enginyeria Química de la Universitat Rovira i Virgili i director de la Càtedra URV sobre Captura i Aprofitament de CO₂.

L’objectiu d’aquesta tesi doctoral ha estat l’estudi computacional d’un cas específic d’un reactor de conversió de diòxid de carboni en un plasma no tèrmic (NTP), generat en un reactor de descàrrega de barrera dielèctrica i amb argó com a gas diluent. L’enfocament combinat en aquesta tesi integra consideracions termodinàmiques, fluido-dinàmiques i de plasma, juntament amb dades experimentals disponibles de laboratori, completant així un estudi profund en aquests tres àmbits tan diferents i complexes del coneixement.

Per dur a terme la seva recerca, la Dra. Mas Peiró va dissenyar i construir un sistema de conversió NTP per estudiar diferents models del sistema de plasma, utilitzant, en primer lloc, un estudi termodinàmic mitjançant l’equació d’estat polar soft-SAFT EoS, que permet caracteritzar el comportament de les mescles de gasos involucrats.  A més del CO₂, en aquest sistema NTP intervenen també el monòxid de carboni (CO), oxigen (O₂), nitrogen (N₂), argó (Ar) i hidrogen (H₂). A través d’aquesta equació, es van poder predir valors d’equilibri líquid-vapor i d’altres propietats de les mescles, mostrant una bona concordança amb les dades experimentals i establint els fonaments per a la realització d’altres simulacions. 

Pel que fa a l’estudi fluido-dinàmic, la Dra. Mas Peiró va optimitzar el flux d’espècies dins del reactor de plasma, emprant la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) a través de l’anàlisi ambSolidWorks® Flow Simulation, determinant aquelles variables que afecten de forma més significativa al rendiment del reactor de plasma, com són la velocitat mitjana i la vorticitat.

Finalment, l’estudi de plasma es va dur a terme introduint les equacions de plasma que succeeixen dins del reactor utilitzant COMSOL® Multiphysics, definint el model amb un estudi de química d’argó pur en geometries 1D i 2D, trobant que en ambdós casos el model mostrava una adequada interpretació de la física de plasma.

La combinació de les simulacions computacionals dutes a terme per la Dra. Mas Peiró ha permès aconseguir una comprensió completa del comportament del reactor de plasma no tèrmic i, juntament amb la validació experimental, ha pogut explorar l’impacte de diversos factors en la generació de plasma, aportant respostes per a futurs assaigs experimentals i optimitzacions de disseny.

Publicacions relacionades

Mas-Peiró, C. et al, 2024, Fluid Modeling of a Non-Thermal Plasma with Dielectric Barrier Discharge and Argon as a Diluent Gas. Processes 2024, 12, 1405.

Mas-Peiró, et al, 2024, Computational Fluid Dynamic study of gas mixtures in a NON-Thermal Plasma reactor for CO₂ conversion with Argon as diluent gas, Afinidad Journal of Chemical Engineering Theoretical and Applied Chemistry, 2024, 81, 601.

Mas-Peiró C. et al, 2023, Thermodynamic Characterization of Gas Mixtures for Non-thermal Plasma CO₂ Conversion Applications with Soft-SAFT, J. Chem. Eng. Data, 2023, 68, 6, 1376-1387.

Mas-Peiró C. et al, 2023, Computational Fluid Dynamic (CFD) study of gas mixtures in a Non-Thermal Plasma for CO₂ conversion, Conference at15^th Mediterranean Congress of Chemical Engineering (MeCCE-15).

Mas-Peiró C. et al, 2023, Simulation of a Non-Thermal Plasma Reactor with Dielectric Barrier Discharge for CO₂ Conversion. Proceedings of the COMSOL Conference Munich 2023, Munich, Germany, (25–27 October 2023).

Mas-Peiró C. et al, 2020, Thermodinamic characterization of gas mixtures for CCUS applications, Conference at14^th Mediterranean Congress of Chemical Engineering (MeCCE-14), 2020.

Aquesta tesi ha estat realitzada en el marc del projecte STOP-F-GAS (PID2019-108014RB-C21), finançat dins del Programa Estatal d’R+D+I orientada als Reptes de la Societat del Pla Nacional del Ministerio de Ciencia e Innovación – Agencia Estatal de Investigación.