Desarrollo de filtros basados en materiales nanoestructurados de carbón para la separación o purificación de gases

Resumen

La presente Tesis Doctoral tiene por objeto principal el desarrollo de materiales de carbón para su aplicación en sistemas de filtración de compuestos orgánicos volátiles presentes en biocombustibles, así como el refinado mediante separación por lechos de adsorción de dichos compuestos. También se plantea el uso de dichos materiales como adsorbentes selectivos de dióxido de carbono en biogás. En ella se combina el uso de materiales tradicionales, como son los carbones activados obtenidos a partir de residuos lignocelulósicos, como materiales de carbón más novedosos, aerogeles y xerogeles de carbón obtenidos por carbonización de polímeros resorcinol-formaldehido, cuya principal característica la constituye el hecho de tratarse de materiales nanoestructurados, es decir, materiales cuya estructura puede ser ajustada a tamaño nanométrico en función de las variables operacionales del proceso de síntesis (catalizador, disolvente, relación molar entre reactivos, gelificación, secado). En los primeros capítulos se estudió la adsorción de n-octano y etanol sobre carbones activados obtenidos a partir de hueso de aceituna, cuya principal diferencia fue el grado de oxidación de su superficie. Para ello, una vez molido y tamizado, el material de partida fue activado químicamente con hidróxido potásico de manera que se obtuvo un material con una elevada superficie específica. Una porción de este material fue sometida a un proceso de oxidación en disolución con peroxidisulfato amónico y, una vez lavado, el material resultante de la oxidación fue tratado a distintas temperaturas para producir la descomposición de los grupos superficiales oxigenados generados, con lo que se obtuvo un serie de carbones activados con distinta química superficial. Tanto la textura porosa de los materiales, como dicha química superficial fueron caracterizadas por diversas técnicas, pudiendo analizarse tanto el tipo de grupos oxigenados presentes en cada muestra como su distribución en la misma. Una vez caracterizados, los materiales fueron usados como adsorbentes de n-octano o etanol, de manera que se pudieron relacionar las propiedades texturales y químicas de los carbones activados con su capacidad de adsorción para uno y otro compuesto. Los estudios que se llevaron a cabo en régimen estático y en atmósfera saturada demostraron que, independientemente del contaminante a adsorber, es la porosidad total de la muestra la que determina su capacidad de adsorción. Sin embargo, cuando las experiencias se llevaron a cabo en régimen dinámico y a concentraciones bajas, se demostró que la microporosidad de la muestra juega el papel más importante en la adsorción de n-octano, mientras que la presencia de grupos oxigenados (principalmente los de tipo ácido carboxílico) es fundamental para que se produzca la adsorción de etanol. También se analizó la influencia de la presencia de vapor de agua en las corrientes, siendo esta mayor, como cabía esperar, en el caso de la adsorción de etanol y a mayor contenido en oxígeno de la muestra. Finalmente, se ajustó la composición del lecho mediante mezcla física del carbón activado oxidado y del no oxidado en aras de optimizar la adsorción simultánea de ambos compuestos. En el siguiente capítulo se plantea el uso de un aerogel y un xerogel de carbón obtenidos por catálisis ácida para llevar a cabo la separación de dos hidrocarburos isómeros de ocho átomos de carbono, el n-octano y el 2,2',4-trimetilpentano (TMP). La separación de isómeros lineales y ramificados tiene un interés desde el punto de vista industrial, ya que los segundos tienen un índice de octanos mayor. El proceso sol-gel nos permite ajustar la porosidad de los geles de carbón, con lo que resulta un método eficaz para fabricar tamices moleculares de carbón. Así pues, con objeto de estudiar la influencia del proceso de secado se sintetizaron tanto un aerogel (mediante secado supercrítico) como un xerogel (secado térmicamente en estufa a vacío) siendo la porosidad del último ajustada mediante activación física con dióxido de carbono. Una vez caracterizados, los materiales obtenidos en forma de pelets fueron utilizados en reactores de lecho fijo por los que se hicieron pasar corrientes contaminadas con uno de los hidrocarburos. La capacidad de adsorción se relacionó con las propiedades texturales de los materiales, obteniéndose una relación con el volumen de microporos anchos en el caso del TMP y con el volumen de microporos tanto estrechos como anchos en el caso del n-octano. El tamaño medio de los microporos en el aerogel resultó menor que el radio de la molécula de TMP, por lo que al llevar a cabo la adsorción competitiva de ambos, la separación fue total quedando retenido el n-octano y dejando sólo pasar TMP durante gran parte del experimento. En el caso del xerogel las muestras activadas a bajo grado de activación con una porosidad más estrechas dieron buenos resultados en la separación de ambos isómeros, mientras que a alto grado de activación se obtuvieron muestras con microporosidad muy ancha de manera que ambos hidrocarburos podían ser adsorbidos. En los últimos capítulos se recoge el trabajo realizado durante la estancia con el Profesor Emérito Don Alirio Egidio Rodrigues en el Laboratory of Separation and Reaction Engineering (LSRE) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Oporto. Este trabajo consistió en el estudio de la adsorción selectiva de dióxido de carbono para el refinado de biogás. El biogás obtenido por digestión anaeróbica de distintos residuos contiene como contaminante principal dióxido de carbono, en concentraciones en torno al 40%. Esta alta proporción de CO2 debe ser eliminada para convertir el biogás en el biometano utilizado como combustible, ya que dificulta el licuado del mismo (cuando necesita ser transportado) y reduce significativamente la capacidad calorífica de la muestra. Para ello se pueden utilizar diversas tecnologías, siendo unas de las más eficaces las basadas en la utilización de lechos adsorbentes. Por ello, se planteó el uso de materiales de carbón como adsorbentes selectivos de CO2 en mezclas de CO2 y CH4. Los materiales elegidos fueron un carbón activado obtenido por activación física de pelets de madera (utilizados en calderas de biomasa para calefacción doméstica) y un xerogel de carbón obtenido por catálisis básica. Ambos materiales fueron caracterizados, estudiándose posteriormente su comportamiento adsorbente mediante el análisis de las isotermas a alta presión de ambos gases y su comportamiento en sistemas de lecho fijo por adsorción en régimen dinámico. Tanto el carbón activado obtenido a partir de pelets de madera como el xerogel de carbón presentaron altas selectividades a CO2 y un buen comportamiento en la separación de ambos gases, con lo que resultan materiales potencialmente aplicables al refinado de biogás. Como conclusión general cabe destacar que en la presente Tesis Doctoral se han preparado materiales de carbón tanto tradicionales como nanoestructurados, ajustando sus propiedades texturales mediante activación y su química superficial por procesos de oxidación y eliminación selectiva de grupos. Estos métodos de síntesis han permitido obtener adsorbentes específicos de los distintos contaminantes, pudiendo analizarse la influencia de las propiedades fisicoquímicas del adsorbente en el proceso de adsorción, lo que ofrece la posibilidad de optimizar dichas propiedades para llevar a cabo la adsorción de cada uno de los contaminantes adsorbido.