Microwave heating in adsorption based pollutant control systems

Resumen

La contaminación del aire constituye una amenaza seria tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Aunque las emisiones de muchos contaminantes atmosféricos han disminuido sustancialmente en Europa durante las últimas décadas, esto continúa siendo una preocupación importante para la Agencia del Medio Ambiente, “European Environment Agency” (EEA) [1]. Entre los contaminantes del aire, los compuestos orgánicos volátiles, “Volatile Organic Compunds” (VOCs), contribuyen significativamente a la mala calidad del aire en las ciudades, tanto en el interior como en el exterior. Como VOCs se incluyen los compuestos con base de carbono a excepción del monóxido de carbono, dióxido de carbono, carburos metálicos o carbonatos y carbonato de amoniaco que participan en reacciones fotoquímicas atmosféricas [2]. Debido a su baja presión de vapor, 0,01 kPa a 20ºC, son contaminantes atmosféricos comúnmente liberados a la atmósfera por fuentes tanto biogénicas como antropogénicas, como, por ejemplo, en vehículos, en procesos que utilizan disolventes o en la industria. Una estimación de las emisiones globales de VOCs sería del orden de magnitud de 1012 kg/año [3]. En la actualidad, el efecto invernadero se ha convertido en una seria amenaza para el medio ambiente debido a nuestra dependencia de los combustibles fósiles como fuente de energía. El dióxido de carbono constituye el 77% de los gases de efecto invernadero. La concentración media global de CO2 en la atmósfera es cercana a las 400 ppm según el reciente informe del Panel Internacional sobre el Cambio Climático, “International Panel on Climate Change” (IPCC), mientras que el nivel seguro de concentración de CO2 sería inferior a 350 ppm. Por lo tanto, el control de las emisiones de CO2, así como su captura y almacenamiento atraen la atención mundial. [4, 5]. Por lo tanto, resulta necesario realizar un tratamiento de las corrientes que tengan VOCs. Una de las alternativas, que actualmente se utiliza en la industria, consiste en la oxidación térmica. Sin embargo, en el caso de corrientes diluidas, con una concentración de VOCs inferior a 1000 ppm, este tratamiento resulta muy costoso debido al alto consumo de energía, es decir, se necesita calentar a elevadas temperaturas una gran cantidad de gas. Mediante el uso de catalizadores se podría reducir dichas temperaturas hasta unos 200-300ºC, pero, aun así, toda la corriente de aire necesita ser calentada sólo para eliminar unos pocos cientos de ppm de contaminante, resultando por lo tanto poco eficiente dicho proceso. En este contexto, la adsorción aparece como la tecnología preferida para la eliminación de VOCs en bajas concentraciones. Es importante seleccionar adsorbentes apropiados, con una alta selectividad para VOCs y, que no adsorban otros compuestos como el agua. Algunos adsorbentes comúnmente utilizados son el carbón microporoso o las zeolitas hidrófobas. Además, trabajando en las condiciones óptimas, la regeneración del adsorbente se puede realizar con un caudal más bajo obteniéndose una corriente concentrada en VOCs que pueden ser condensados y reutilizados o destruidos mediante oxidación térmica o catalítica [6]. La tecnología convencional para la eliminación de CO2 consiste en la absorción utilizando soluciones basadas en aminas, que también presenta el inconveniente de los altos consumos de energía. Estos se deben principalmente a la etapa de regeneración de la amina en la que se produce una pérdida de amina debido a la evaporación y degradación oxidativa. También se puede aplicar la técnica de adsorción con adsorbentes selectivos para el CO2, como por ejemplo con la incorporación de aminas a adsorbentes sólidos. Esta propuesta se presenta como una opción rentable especialmente para la captura de CO2 en sistemas de post-combustión, así como para la captura del CO2 atmosférico y su posterior almacenamiento como parte de una estrategia de mitigación del cambio climático [7, 8]. Cuando se utiliza la tecnología de adsorción, la regeneración del adsorbente se convierte en el paso clave en cuanto a la viabilidad económica y técnica del proceso. La razón principal de la regeneración es eliminar los contaminantes (VOCs, CO2) para restaurar la capacidad de adsorción del adsorbente. Es esencial tener en cuenta los procesos de reutilización y reciclaje de adsorbentes manteniendo sus propiedades texturales sin cambios. Además, la eliminación del adsorbente saturado como residuo sin ningún tratamiento conduciría a riesgos de contaminación del aire, del agua y de la tierra, especialmente para los absorbentes cargados de VOCs. El tiempo de vida de los adsorbentes está determinado por el número de ciclos de adsorción-desorción sin pérdidas significativas en la capacidad de adsorción [5, 9, 10]. Actualmente, en la industria la desorción de las especies se realiza mediante cambios en la presión con los métodos de “Pressure Swing Adsorption” (PSA) y “Vacuum Swing Adsorption” (VSA) o por cambios de temperatura “Temperature Swing Adsorption” (TSA). En el caso de la adsorción de gases a elevadas concentraciones, donde la saturación del adsorbente es rápida, y no hay interacciones específicas con el adsorbente, se prefieren los ciclos rápidos de PSA. Sin embargo, cuando hay una afinidad del adsorbato para el adsorbente, es decir, la quimisorción, el adsorbente necesita períodos prolongados de tiempo para regenerarse, y entonces se suele emplear el método TSA. Este es el caso de la adsorción selectiva de CO2 o adsorción para bajas concentraciones de VOCs. En este método, la desorción se lleva a cabo calentando el adsorbente, generalmente usando gas de purga caliente o vapor sobrecalentado. Este método consume tiempo y energía. Esto se debe principalmente a las capacidades caloríficas relativamente pequeñas de los gases cuando se emplea gas de purga caliente, y la necesidad de secado del adsorbente después de cada etapa de regeneración cuando se usa vapor. Este último paso implica una penalización energética. Además, la larga duración de los periodos de calentamiento y enfriamiento implica que el método TSA conduce a una alta dilución del adsorbato lo cual podría suponer un problema, especialmente en el caso de recuperar los adsorbatos de alto valor añadido [10-12]. Como alternativa, la eficiencia energética, la rentabilidad y la regeneración rápida se pueden lograr utilizando calentamiento selectivo por microondas, es decir mediante “Microwave Swing Adsorption” (MWSA) [13]. La principal ventaja de MWSA, a diferencia del calentamiento convencional, donde la transferencia del calor en los sólidos se produce a través de conducción y convección, es que en este caso se suministra la energía microondas de manera directa a los materiales susceptibles a la radiación. De este modo se evitan pérdidas al calentar todo el sistema (contenedor de adsorbente, tuberías). El campo de microondas puede conseguir un calentamiento volumétrico, es decir, todos los elementos dentro de un material se calientan al mismo tiempo. Además, el uso de campo de microondas puede permitir la transferencia directa de la energía al adsorbato sin ser absorbido por el adsorbente. También existe la posibilidad de calentamiento selectiva de la propia superficie o sus grupos funcionales para promover procesos de desorción por microondas [14-16]. El objetivo principal de este trabajo ha sido el desarrollo de un sistema integral MWSA de lecho fijo a escala laboratorio para solventar las deficiencias energéticas producidas por las técnicas convencionales en la eliminación y destrucción de VOCs a nivel traza y captura en la de CO2. Por lo tanto, en esta tesis, se utilizó la tecnología de adsorción para la eliminación de algunos contaminantes atmosféricos, en particular compuestos organicos volátiles, COVs y dióxido de carbono, utilizando calentamiento microondas para la regeneración del adsorbente, MWSA (Microwave Swing Adsorption). Este calentamiento se propuso como una manera de realizar una intensificación en los procesos de eliminación de contaminantes diluidos en corrientes gaseosas. Los experimentos de adsorción se realizaron en condiciones ambientales usando diferentes tipos de adsorbente, zeolitas FAU tipo Y y sílice mesoporosa MCM-48 funcionalizada con grupos amino. Se evaluó la cinética de regeneración bajo calentamiento convencional (TSA) y microondas (MWSA). Además, también se midieron las propiedades dieléctricas de los adsorbentes seleccionados en función de la temperatura. El proceso de adsorción se acopló con combustión catalítica a través de calentamiento por microondas para la limpieza continua de las corrientes de aire contaminadas con COVs. También se desarrolló y validó un modelo matemático tridimensional para simular el calentamiento del sólido adsorbente en la cavidad monomodal microondas. De esta manera, las ecuaciones de campo electromagnético de Maxwell junto con las ecuaciones de energía y momento se resolvieron en el entorno de simulación COMSOL Multiphysics®. Considerando los valores de las propiedades dieléctricas medidas, se predijo el calentamiento por microondas. Los perfiles de temperatura y evolución de la temperatura con el tiempo de un lecho fijo de zeolita NaY porosa seca se simularon y se compararon con los datos experimentales para la validación del modelo. Bibliografía 1. European Environment Agency. Air pollution harms human health and the environment, from http://www.eea.europa.eu/themes/air/intro. Accessed 04-04-2017. 2. Koppmann, R., Volatile Organic Compounds in the Atmosphere. 2008: Wiley. 3. Nehr, S., E. Hösen, and S.-i. Tanabe, Emerging developments in the standardized chemical characterization of indoor air quality. Environment International, 2017. 98: p. 233-237. 4. Jiao, J., et al., Improvement of adsorbent materials for CO2 capture by amine functionalized mesoporous silica with worm-hole framework structure. Chemical Engineering Journal, 2016. 306: p. 9-16. 5. Sanz-Pérez, E.S., et al., Reuse and recycling of amine-functionalized silica materials for CO2 adsorption. Chemical Engineering Journal, 2017. 308: p. 1021-1033. 6. Khan, F.I. and A. Kr. Ghoshal, Removal of Volatile Organic Compounds from polluted air. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2000. 13(6): p. 527-545. 7. Pires, J.C.M., et al., Recent developments on carbon capture and storage: An overview. Chemical Engineering Research and Design, 2011. 89(9): p. 1446-1460. 8. 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