Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 2 (3): 92-97. Julio-Septiembre 2019 https://doi.org/10.37636/recit.v239297.
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ISSN: 2594-1925
Pirocatálisis de biomasa a hidrógeno
Biomass to hydrogen pyrocatalysis
López Zumaya Daniela
1
, Flores Sánchez Luis Antonio
1
, Moreno Armenta María
Guadalupe
2
, Quintana Melgoza Juan Manuel
1
1
Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California,
Calzada Universidad 14418 Parque Industrial, CP. 22390 Tijuana, Baja California, México
2
Centro de Nanociencias y Nanotecnología CNYN-UNAM, Carretera Tijuana-Ensenada km
107, Playitas, CP. 22860 Ensenada, Baja California, México.
Autor de correspondencia: Juan Manuel Quintana Melgoza, Facultad de Ciencias Químicas e
Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, Campus Tijuana, Baja California, México,
E-mail: quintana@uabc.edu.mx, clave ORCID: 0000-0002-3738-0612.
Recibido: 1 de Junio del 2019 Aceptado: 1 de Septiembre del 2019 Publicado: 13 de Septiembre del 2019
Resumen. - En este trabajo de investigación experimental se realiza la descomposición por
pirólisis catalítica de la cáscara de nuez nogal (Juglans regia L.) en un intervalo de 400 °C a
800 ° C sobre óxido de zinc para la obtención de hidrógeno. El óxido de zinc se sintetiza a partir
de nitrato de zinc hexahidratado a 500 °C en flujo de aire durante 1 hora. La reacción catalítica
produce un volumen total de gases de 790 mL y el hidrógeno se cuantifica por cromatografía de
gases. Las condiciones óptimas para la conversión de biomasa a hidrógeno son 15 % p/ p de
catalizador con 125 mg de biomasa a 800 °C; obteniéndose una producción de hidrógeno de
66.3 %, otros gases 19.7 % y carbono residual 14 %.
Palabras clave: Hidrógeno; Pirólisis; ZnO; Cáscara de nuez nogal.
Abstract. – In this experimental research work, is studied the decomposition by pyrolysis of
walnut shell (Juglans regia L.) in a range from 400 °C to 800 °C over zinc oxide to obtain
hydrogen. The catalyst zinc oxide is synthesized from zinc nitrate hexahydrate at 500 °C in air
flow during one hour. The catalytic reaction produced a total gas volume of 790 mL and the
hydrogen in mixture is quantified by gas chromatography. The optimum conditions for the
conversion of biomass to hydrogen are 15 % w/ w of catalyst with 125 mg of biomass at 800 °C;
obtaining a hydrogen production of 66.3 %, other gases 19.7 % and residual carbon 14 %.
Key words: Hydrogen; Pyrolysis; ZnO; Walnut shell nogal.
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 2 (3): 92-97.
1. Introducción
La acumulación de residuos agropecuarios
(RA) representa un problema de
contaminación ambiental; su producción
mundial es de 996 millones de toneladas por
año [1-3]. Sin embargo, la cáscara de nuez
nogal es un residuo agropecuario abundante,
producido por el fruto del árbol Juglans regia
L. Se estimó su producción en 850,500
toneladas (2016-2017) por la Dried Fruit
Council Foundation [4]. La demanda de la
nuez está asociada a su consumo como un
alimento y además contiene propiedades
anticancerígenas, antiaterogénicas, así mismo
es una fuente rica de vitamina E [5, 6]. La
preocupación mundial por contaminación
ambiental y el aumento de la demanda
energética han motivado a la búsqueda de
nuevas estrategias enfocadas en la
producción de energías alternativas, entre
ellas se encuentra la utilización de residuos
agropecuarios. Las principales fuentes de
energía renovable son: eólica, solar,
mareomotriz, hidráulica, geotérmica y
biomasa. Una de las mejores metodologías
para obtención de energía renovable a partir
de biomasa es la pirólisis catalítica [7]. Por
ello, el consejo mundial de energía reportó en
el año 2016 que la biomasa suministra 14 %
del consumo de energía mundialmente. Sin
embargo, se estimó que para el año 2035 la
biomasa puede contribuir con el suministro
de energía en un 38 % a 45 % del consumo
energético mundial [8], causando impacto en
la tecnología. Por otra parte, los recursos de
biomasa pueden incentivar la calidad de vida
rural, creando más opciones de trabajo
afectando el entorno social y favoreciendo el
mantenimiento de la biodiversidad dentro de
un equilibrio ecológico. El hidrógeno
actualmente es una fuente de energía
renovable de alto contenido energético,
además es un combustible limpio debido a
que su combustión solamente produce vapor
de agua [9, 10], disminuyendo las emisiones
de gases contaminantes a la atmósfera
terrestre. El objetivo principal de este trabajo
es realizar la descomposición catalítica de la
cáscara de nuez nogal para la obtención de
hidrógeno utilizando óxido de zinc ZnO
como catalizador. El material (ZnO) se
analiza por difracción de rayos-X,
microscopía electrónica de barrido,
espectroscopía por dispersión de energía y la
cuantificación de hidrógeno se analiza por
cromatografía de gases.
2. Metodología
2.1. Síntesis de óxido de zinc
Se pesan 10.0 g (0.0336 moles) de nitrato de
zinc hexahidratado Zn(NO
3
)
2
•6H
2
O (CAS
10196-18-6 Sigma-Aldrich) en balanza
analítica marca A&D Weighing. Esta masa se
adiciona a un matraz Erlenmeyer (250 mL), y
se agrega agua desionizada hasta su
disolución, enseguida a esta disolución se
adiciona gota a gota y con agitación manual
continua hidróxido de amonio NH
4
OH 35 %
(CAS 1336-21-6 Sigma-Aldrich) hasta lograr
la precipitación de un sólido. El sólido se
separa por filtración, se seca a 110 C durante
1 hora, se pesa, pulveriza y envasa, el mismo
que se somete a un tratamiento térmico a 500
C en un horno eléctrico en posición
horizontal marca Thermo Scientific Lindberg
TF55035C-1 Blue M Mini-Mite Tube
Furnace con flujo de aire a 120 mL/min
durante una hora para obtener el producto.
2.2 Actividad catalítica
La cáscara de nuez nogal se pulveriza a un
tamaño promedio de partícula de 0.27 mm
(σ± 0.06) en una trituradora marca
NutriBullet a 25000 rpm durante 2.05 min. Se
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 2 (3): 92-97.
pesan 0.125 g de la cáscara de nuez y se
mezcla en relación 15 % p/ p (peso /peso) de
ZnO. La mezcla se deposita en una canoa de
porcelana y se introduce en un tubo de
cuarzo; ambos se colocan dentro de un horno
eléctrico en posición horizontal. La
temperatura del sistema se varía cada 100 °C
en un intervalo desde 400 °C hasta 800 C
con flujo de helio a 20 mL/min durante 10
min en cada experimento. El volumen total de
gases de la reacción catalítica se determina
por desplazamiento de fluidos, utilizando una
columna graduada a 1 L, aplicando un
sistema de vacío conectada a una tubería de
plástico con diámetro interno de 4 mm y a una
bolsa recolectora de gases de 10 L.
Finalmente, la cuantificación de hidrógeno se
realiza por inyección al cromatógrafo de 1
mL del total de gases de reacción.
2.3 Técnicas de identificación
La técnica de difracción de rayos-X (XRD,
por sus siglas en inglés), se utiliza para
identificar la fase cristalográfica de ZnO, así
como para medir el tamaño promedio de los
cristales en base al ancho medio del pico más
intenso (101) usando el análisis de Scherrer
11, 12. Para este trabajo se utilizó un
difractómetro Philips con radiación CuK
(40 kV, 30 mA) con λ = 0.15405 nm,
La composición elemental de las partículas se
estudió por espectroscopía por dispersión de
energía (EDS, por sus siglas en inglés) con un
detector marca Sapphire SUTW a 10 kV y la
estructura morfológica de las partículas por
microscopía electrónica de barrido (SEM, por
sus siglas en inglés) en un microscopio marca
JEOL 5300.
Las reacciones catalíticas se realizan
utilizando un flujo de helio a 20 mL/min
cromatográfico a 99.99 % INFRA como gas
portador del producto de reacción. La
cuantificación del hidrógeno se realiza en un
cromatógrafo de gases marca SRI8610C, en
flujo de helio a 20 mL/min utilizando una
bolsa recolectora de gas de 10 L marca Tedlar
PLV, Supelco. El error experimental para la
producción catalítica de hidrógeno a partir de
cáscara de nuez se estima en 625 ppm
equivalente al 1 %.
3. Resultados y Discusión
La Figura 1 muestra el difractograma
obtenido experimentalmente del catalizador
ZnO utilizado en este trabajo y el patrón de
referencia correspondiente a la fase
cristalográfica del ZnO. El material
sintetizado presenta señales de difracción que
corresponden al conjunto de señales
reportadas en la base de datos cristalográficos
JCPDS-ICDD con número de tarjeta 361451
[13]. Se confirma la síntesis de la fase
cristalina ZnO a 500 °C y presenta un tamaño
promedio de cristal de 86 nm.
Figura 1. Patrones de difracción por rayos-X del ZnO
obtenido y de referencia por la base de datos cristalográficos.
La Figura 2 muestra la celda unitaria tipo
hexagonal de la estructura cristalina de óxido
de zinc. La celda unitaria es simulada
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 2 (3): 92-97.
utilizando el programa en línea American
Mineralogist Crystal Structure Database [14].
Figura 2. Sistema cristalino hexagonal del óxido de zinc con grupo
espacial S.G. P6
3
mc (186), [2 átomos Zn
+2
, 2 átomos de O
-2
].
En la Figura 3a se presenta la imagen de superficie
obtenida por SEM correspondiente al material
ZnO utilizado como catalizador para la
descomposición de la biomasa. Las partículas se
observan con forma semiesférica y contienen un
tamaño promedio de 2.14 x 1.58 µm con
desviación estándar de ± 0.70 y ± 0.50 µm, en ese
orden.
Figura 3. Patrón por EDS (b), se indican las señales de zinc (Zn),
oxígeno (O), carbono (C) y micrografía por SEM (a) del
catalizador sintetizado a 500 ˚C.
La Figura 3b presenta el patrón por EDS del
ZnO preparado a 500 °C. En esta se observa
las señales de zinc a 1.0 KeV, 8.6 KeV y 9.5
KeV, y las señales de oxígeno a 0.5 KeV.
Estas señales están en acuerdo con los valores
reportados en la literatura por J. A. Bearden
[15]. Además, aparece la señal de carbono a
0.25 KeV correspondiente a la cinta de
carbono utilizada para montar la muestra.
Se varió la masa catalítica de 10 % a 45 % con
respecto a la biomasa (0.125 g) para evaluar
la producción de hidrógeno y medir el
volumen total de gases producidos en cada
reacción catalítica. La actividad de ZnO en
forma decreciente resulto: 15 % > 20 % > 30
% > 40 % > 10 % > 45 %, obteniendo el
óptimo de masa catalítica activa (ZnO) a un
15 % p/ p con la producción de hidrógeno en
7580 ppm, ver la Tabla 2. En la Figura 4 se
muestra la variación de la temperatura cada
100 °C en un intervalo desde 400 °C hasta
800 C con respecto a la producción de
hidrógeno (●) y con respecto al volumen total
de gases producidos en cada una de las
reacciones (■). La producción óptima de
hidrógeno resultó a la temperatura de 800 °C
con 41122 ppm de hidrógeno (66.3 %).
Figura 4. Producción catalítica de hidrógeno (●, lado
derecho de eje Y) y volumen total de gases producidos
durante la reacción (■, lado izquierdo de eje Y) en función
de la variación de temperatura de reacción.
95
ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 2 (3): 92-97.
La descomposición catalítica de la cáscara de nuez
nogal (Juglans regia L.) produjo un volumen total
de gases en el intervalo de 530 a 790 mL en la
temperatura de 400 a 800 °C, respectivamente, ver
la Tabla 2. La composición química de los
elementos contenidos en la cáscara de nuez nogal
(Juglans regia L.) ha sido reportada en la literatura
especializada por Vassilev S. y Demirbas A. [16,
17], ver la Tabla 1.
Tabla 1. Composición química por carbono, oxigeno, hidrógeno,
nitrógeno y azufre correspondiente a la cáscara de nuez nogal
(Juglans regia L.) expresada en gramos y moles [16, 17].
Elemento
g x10
-3
mol x10
-3
C
62.3750
5.1932
O
53.625
3.3516
H
7.7500
7.6892
N
1.7500
0.1294
S
0.1125
0.0035
Tabla 2. Actividad catalítica del óxido de zinc variando su
composición porcentual a 500 °C (T
R
), producción total de gases
en cada reacción (V
TG
), generación de carbono residual (RC) y
rendimiento de reacción experimental (RR) en la producción de
hidrógeno a partir de la cáscara de nuez nogal.
T
R
°C
ZnO
%
H
ppm
RC
%
RR
%
500
10
6931
34
11.1
500
15
7580
31
12.2
500
20
7024
31
11.3
500
30
7000
33
11.3
500
40
6954
28
11.2
500
45
858
29
1.38
400
15
4080
32
6.58
600
15
11150
26
18.0
700
15
18660
18
30.0
800
15
41122
14
66.3
La Figura 5 presenta las dimensiones
promedio de la nuez nogal (Juglans regia L.)
utilizada como biomasa en este trabajo en un
total de 12 muestras, obteniéndose: peso de
nuez nogal 13 g (σ± 1.04), cáscara 52.36 % p/
p y almendra 47.64 % p/ p.
mm
±σ
Z
40.08±0.10
Y
X
35.03±0.26
33.94±0.23
Figura 5. Dimensiones de la cáscara nuez nogal. Donde Z:
longitud, Y: ancho de apertura, X: ancho de cierre y ()
desviación estándar.
4. Conclusiones
Se confirma la producción catalítica de
hidrógeno por cromatografía de gases a partir
de la cáscara de nuez nogal (Juglans regia L.)
con un rendimiento experimental de 66.3 %
(41122 ppm). Por la eficiencia del método, se
recomienda este proceso para la producción
de hidrógeno con potencial aplicación como
energía alternativa. Como trabajo a futuro se
pretende realizar la pirólisis catalítica de nuez
nogal probando otros catalizadores como:
CuO, NiO, Co
3
O
4
, y Fe
e
O
4
; así como realizar
la pirólisis catalítica a hidrógeno probando
otras fuentes de biomasa: Piñon (Pinus
Pinea) y Cáscara de pistache.
96
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 2 (3): 92-97.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen la financiación a través
de la beca compensación UABC a LZD. y la
financiación de esta investigación con los
proyectos 300/1377, 300/1474 y
300/6/N/84/19 de las convocatorias internas
UABC. Del mismo modo también se
agradece a UABC y CNYN por proporcionar
soporte de laboratorio en síntesis y
caracterización del material preparado en este
trabajo. Estamos muy agradecidos con M.C.
E. Aparicio y M.C. I. Gradilla por asistencia
técnica.
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