Carbón activadoevaluación de nuevos precursores y del proceso de activación con dióxido de carbono

Resumen

Introducción: Debido al propio crecimiento de la población humana mundial, esto conllevará a un aumento considerable en la demanda de alimentos y agua potable así como un aumento en la producción industrial. De todos los problemas medioambientales ya existentes y que este crecimiento de la población agravará, el más importante será el de poder disponer de agua potable tanto para la agricultura, ganadería y el consumo humano. Por tanto el control de la contaminación y la potabilización de agua será un asunto crucial, para lo cual, la adsorción en sólidos porosos es una de las mejores técnicas de eliminación de contaminantes. De todos los adsorbentes el CA es el más usado, ya que se emplea para la potabilización de agua. Así pues, no es de extrañar que en los próximos años habrá un considerable incremento en la de manda de estos materiales y por tanto un aumento en su precio. Desarrollo teórico: La motivación de la tesis doctoral radica en el estudio de la obtención de carbones activados a partir de nuevos precursores económicos y abundantes, a la vez que su preparación involucre procesos medioambientamente respetuosos. Para ello, se analizará la idoniedad de dos residuos lignocelulósicos, la cascarilla de cacao y el hueso del níspero, los cuales apenas han sido empleados para esta aplicación. Respecto al proceso de preparación, con la idea puesta de que éste involucre la ruta más ¿verde¿ posible, se evaluará el uso del dióxido de carbono como agente de activación, descartando la activación química. De la relación precursor y proceso de activación, se estudiarán dos características importantes de los CA: i) textura porosa desarrollada (mediante el desarrollo de procedimientos sencillos que nos permitan controlar la distribución de tamaños de porosidad, desde microporosidad hasta mesoporosidad) y ii) integridad mecánica del material obtenido (para lo cual se ensayará la activación de estos precursores en forma de piezas, monolitos). Resumen: Los resultados obtenidos han mostrado como el CO2 es un agente activante apropiado y muy versátil para la generación de una amplia variedad de carbones activados. De este modo, con una adecuada selección de la materia prima y el tratamiento de la misma, se puede controlar el desarrollo del tamaño de porosidad deseado durante el proceso de activación con CO2: carbones microporosos, carbones mesoporosos y carbones con meso y macroporosidad. La evaluación de dos nuevos precursores lignocelulósicos, ha resultado muy satisfactoria. Así, tanto con la cascarilla del cacao como con el hueso de níspero es posible obtener mediante activación con CO2 carbones activados con elevadas superficies y volúmenes de porosidad específicos. En el caso de la cascarilla del cacao, este precursor ha resultado ser muy interesante para la preparación de monolitos de carbón activados esencialmente microporosos con apropiadas prestaciones mecánicas sin necesidad de agente aglomerante. La materia mineral inherente de la cascarilla del cacao resulta apropiada para el desarrollo de mesoporosidad. Respecto al hueso de níspero, este precursor ha resultado muy interesante dado que permite obtener carbones superactivazos tras su activación con CO2. Conclusiones: Los resultados obtenidos en este trabajo de Tesis Doctoral han mostrado como el CO2 es un agente activante apropiado y muy versátil para la generación de una amplia variedad de carbones activados. De este modo, con una adecuada selección de la materia prima y el tratamiento de la misma, se puede controlar el desarrollo del tamaño de porosidad deseado durante el proceso de activación con CO2: carbones esencialmente microporosos, carbones mesoporosos y carbones con meso y macroporosidad. Además, también permite el desarrollo de elevados volúmenes de micro, meso y macroporosidad en los carbones activados. Respecto al agente activante, el CO2, éste puede realizar, sobre un carbonizado, una activación homogénea y controlada de la microporosidad en régimen de control químico en un amplio intervalo de temperaturas, incluso tan elevadas como 1100 ºC. Esto último resulta muy ventajoso en el sentido de que el proceso de activación puede realizarse en tiempos de residencia muy cortos, ie. 30 minutos. Para que ésto sea efectivo, el carbonizado debe estar exento de materia mineral y de grupos nitrogenados. Los primeros catalizan la reacción de gasificación, desfavoreciendo el desarrollo de la microporosidad a la par que se promueve el desarrollo de la meso y macroporosidad. Los segundos inhiben la reacción de gasificación, posiblemente por bloqueo de los sitios activos, haciendo que la gasificación se localice externamente, con un escaso desarrollo de la misma. Respecto al segundo objetivo general de esta Tesis Doctoral, la evaluación de dos nuevos precursores lignocelulósicos, ha resultado muy satisfactoria. Así, tanto con la cascarilla del cacao como con el hueso de níspero es posible obtener mediante activación con CO2 carbones activados con elevadas superficies y volúmenes de porosidad específicos. En el caso de la cascarilla del cacao, este precursor ha resultado ser muy interesante para la preparación de monolitos de carbón activados esencialmente microporosos con apropiadas prestaciones mecánicas sin necesidad de agente aglomerante. Así, la presencia de materia grasa y pectina en la composición de este precursor le confiere propiedades autoaglomerantes, lo cual le permite preparar piezas sin necesidad de incorporar compuestos aglomerantes durante la compactación. En segundo lugar, la propia la microestructura lignocelulósica de este material da lugar a la formación de un entramado carbonoso consistente en láminas entrelazadas y plegadas, la cual persiste durante la activación. Este tipo de microestructura favorece la cohesión entre las distintas macropartículas del carbonizado, confiriéndole apropiadas prestaciones mecánicas. Finalmente, la existencia de un determinado tipo de macromoléculas presentes en la composición lignocelulósica de este material, cuya carbonización origina una fase con un alto grado de organización cristalográfico, el cual persiste en los monolitos preparados con elevados BO, también favorece las buenas prestaciones mecánicas de los monolitos de carbón activados. En segundo lugar, la materia mineral inherente de la cascarilla del cacao resulta apropiada para el desarrollo de la mesoporosidad en este precursor. Para ello en este trabajo se han desarrollado dos procedimientos novedosos. El primero, ha consistido en preparar mezclas híbridas de cascarilla de cacao lavada y sin lavar. Este proceso ha resultado interesante, mediante el cual se consiguen desarrollar carbones activos con una apreciable mesoporosidad y una elevada microporosidad. El segundo procedimiento ha consistido en realizar el lavado intermedio de la cascarilla del cacao. En este estudio se ha comprobado la facilidad de extracción que presenta la materia mineral de la cascarilla del cacao, lo cual hace posible controlar el contenido en materia mineral mediante el control del tiempo de lavado. Este procedimiento ha resultado el ser el más exitoso, mediante el cual se consiguen carbones activos con elevados volúmenes de micro y mesoporososidad. Respecto al hueso de níspero, este precursor ha resultado muy interesante dado que permite obtener carbones superactivados tras su activación con CO2. Se consiguen similares resultados tanto en dos etapas, como en una única etapa de carbonización-activación, lo cual aún simplifica más el proceso de preparación. Los elevados volúmenes tanto de microporosidad total como estrecha que se obtienen de la activación del carbonizado del hueso de níspero se explican tanto por la escasa presencia de materia mineral que contiene, como por la microestructura carbonosa que presenta el carbonizado. Ésta es consistente como una maraña de fragmentos fullerénicos, cuya eliminación paulatina genera microporosidad estrecha hasta BO 82 %. Embebido en esta maraña, también se encuentra una red regiones de microestructura grafítica, a modo de cintas largas, la cual mantiene la estructura porosa a BO superiores al 90 %, evitando su colapso.