Preparación, caracterización y funcionalización de materiales carbonosos para la adsorción de CO2

Abstract

La contaminación del aire es uno de los problemas ambientales más importantes, y es resultado de las actividades del hombre. Las causas que originan dicha contaminación son diversas: las actividades industriales, comerciales, domésticas y agropecuarias. Existen un gran número de gases que son los responsables de la contaminación ambiental, sin embargo en los últimos años debido a la creciente cantidad de CO2 liberado a la atmósfera y su impacto en el cambio climático, todos los procesos encaminados a su captura han cobrado gran interés. El desarrollo de nuevos sólidos porosos con mejores propiedades en términos de capacidad de adsorción, afinidad y cinética de adsorción, constituye un amplio campo de trabajo, bajo esta perspectiva, en esta tesis doctoral se realizó un aporte al conocimiento de la química de los sólidos adsorbentes por medio de la preparación, caracterización y funcionalización de materiales carbonosos de tipo granular y monolítico que contribuyen a mejorar la adsorción de un gas de elevado interés medioambiental como es el dióxido de carbono. Los adsorbentes se obtuvieron mediante activación química de cuesco de palma africana (Elaeis Guineensis) con soluciones de Cloruro de Zinc, Cloruro de Calcio y Acido Fosfórico a diferentes concentraciones. Las muestras obtenidas se caracterizaron textural y químicamente mediante diferentes técnicas experimentales. Con base en los resultados de caracterización, se eligieron las muestras con las mejores propiedades adsorbentes para ser funcionalizadas, con el objetivo de incrementar los grupos superficiales de carácter básico y por ende la afinidad de los materiales por el CO2. Los carbones activados presentan áreas superficiales entre 161-1700 m2/g y volumen de poro entre 0,09- 0,64 cfm3/g. Los resultados experimentales indicaron que los procesos de funcionalización aumentaron el contenido de nitrógeno en los carbones activados, su basicidad y la capacidad de adsorción de CO2 de los sólidos porosos. La funcionalización con amoníaco genera un aumento en la adsorción de CO2 entre el 10-30%, mientras que con hidróxido de amonio el aumento es mayor lográndose un 20-70% más de CO2 adsorbido. Lo cual indica que la modificación de los sólidos en fase líquida resulta ser más efectiva para incrementar la adsorción de CO2 en los materiales carbonosos. Adicionalmente se evidencia que la metodología más adecuada para el incremento de la capacidad de adsorción de CO2 resulta ser la oxidación previa de la superficie y posterior reacción con hidróxido de amonio, debido a que se logra aumentar en un 82% la adsorción del gas de interés, mientras que la funcionalización directa del carbón activado, genera tan solo un incremento del 70% como máximo. Las pruebas de adsorción de CO2 mostraron que en los carbones activados preparados se logra una cantidad adsorbida de CO2 a 273K y 1 bar entre 114-370 mgCO2/g. La capacidad de adsorción de CO2 a 298K y 1 bar de los materiales carbonosos oscila entre 55-138 mgCO2/g y las cantidades de CO2 adsorbidas a 45 bar y 298K se encuentran entre 380-768 mgCO2/g.

Abstract. Air pollution is one of the major environmental problems, and is a result of human activities. The causes of such pollution are diverse: industrial, commercial, domestic and agricultural. There are a number of gases that are responsible for environmental pollution, however in recent years due to the increasing amount of CO2 released into the atmosphere and its impact on climate change, all processes designed to capture this gas have gained great interest. The development of new porous solids with better properties in terms of adsorption capacity, affinity and kinetics of adsorption, is a broad field, above of this perspective, this thesis made a contribution to the knowledge of the chemistry of solid adsorbents by means of the preparation, characterization and functionalization of granular carbonaceous materials and monolithic type that improve the adsorption of a gas of high environmental interest such as carbon dioxide. The adsorbents were obtained by chemical activation of African Palm Stone (Elaeis Guineensis) with phosphoric acid, zinc chloride and calcium chloride solutions at different concentrations. The samples obtained were characterized textural and chemically by differents experimental techniques. Based on the characterization results, we chose the samples with best adsorptive properties to be functionalized with the purpose to increase the surface groups of basic character and thus the affinity of the materials for the CO2. The activated carbons have surface areas between 161-1700 m2/g and pore volume from 0,09 to 0,64 cm3/g. The experimental results indicated that functionalization processes increased the nitrogen content in the activated carbons, their basicity and its CO2 adsorption capacity. The functionalization with ammonia produces an increase in CO2 adsorption between 10-30%, while that with ammonium hydroxide the increased is greater between 20-70% more of CO2 adsorbed. This indicates that the modification of the solids in the liquid phase turns out to be more effective to increase adsorption of CO2 in the carbonaceous materials. Furthermore is evident that the most appropriate methodology for increasing the adsorption capacity of CO2 is the pre-oxidation of the surface and subsequent reaction with ammonium hydroxide, because it achieves a 82% increase adsorption of gas of interest whereas direct functionalization of activated carbon, generates only a 70% maximum. The CO2 adsorption test at 273K and 1 bar showed that in activated carbons prepared is achieved an adsorbed amount between 114-370 mgCO2/g. The adsorption capacity of CO2 at 298K and 1 bar of carbonaceous materials is between 55-138 mgCO2/g and the adsorbed CO2 amounts to 45 bar and 298K is between 380-768 mgCO2/g.