CARBONES ACTIVADOS: MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA. Nestor Tancredi

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Alberto Luna Ríos
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1 CARBONES ACTIVADOS: PREPARACIÓN Y APLICACIONES A MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA Nestor Tancredi Facultad de Química - Universidad de la República - Uruguay

2 Carbón activado Material con alto porcentaje de carbono, muy poroso, lo que le confiere alta superficie interna Capacidad de adsorber sustancias Química superficial grupos funcionales superficie poco polar Relativa inercia química y térmica 2

de adsorber sustancias Química superficial grupos

3 Estructura del carbón activado 3

4 Esquema de Bansal, Stoeckli, Donnet (1988) 4

5 Algunos grupos superficiales COOH OH O=C O C=O O=C O carboxilo fenol anhidrido lactona O O O O O O pirona éter carbonilo quinona 5

6 Carácter anfótero 6

7 Materias primas Todas las que contengan un porcentaje elevado de carbono Carbones minerales Brea, lignito, antracita Materiales lignocelulósicos Madera, carozos y cáscara de fruta, cortezas, etc. 7

8 Métodos físico y químico Físico o térmico Carbonización Materia prima Químico Carbonización ió y Activación carbonizado Activación carbón activado T > 400º Atmósfera inerte (pirólisis) T > 700º CO 2, H 2 O T > 300º Atmósfera inerte ZnCl 2 H 3 PO 4 carbón activado KOH H 2 SO 4 Relación Agente:Precursor

activado T > 400º Atmósfera inerte (pirólisis) T > 700º CO 2, H 2 O T >

9 Diagrama de flujo para el método físico Materia prima Molienda/Tamizado Molienda Mezcla con aglomerante Pelletización Carbonización Activación Molienda/Tamizado Acondicionamiento 9

10 Diagrama de flujo para el método químico Materia prima Molienda Impregnación Tratamiento t térmico Lavado Recuperación del impregnante Secado Molienda/Tamizado Acondicionamiento

11 Horno rotatorio de activación 11

12 Horno multi-hogar 12

13 Reactor de Lecho Fluidizado 13

14 Producción mundial Ritmo de crecimiento i mundial de demanda d (Freedonia) 79% 7.9 anual Demanda mundial 1.5 millones toneladas en 2013 Predicciones Mundial: 2.2 millones de toneladas de demanda en

15 Producción mundial

16 Producción según materia prima Carbón mineral 27% Cáscara de coco 35% Madera 24% Turba 10% Brea 1% Lignito it 4% 16

17 Importación en Latinoamérica (t) 14 Mexico ton Miles de t Brasil Argentina Perú 8 Chile Colombia Venezuela Ecuador Paraguay Uruguay Bolivia 17

4 2 0 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

18 Importación en Latinoamérica (US$) 18

19 Aplicaciones Fase líquida (80% consumo mundial) Tratamiento de agua potable Tratamiento de aguas residuales (industrial y urbano) uba Purificación de dulcificantes Purificación de aceites, vinos y bebidas carbonatadas Recuperación de oro Productos químicos y farmacéuticos 19

Purificación de dulcificantes Purificación de aceites, vinos y

20 Aplicaciones Fase gaseosa (20% consumo mundial) Control de contaminantes en aire o gases de chimenea Control de emisiones i de motores Máscaras para protección química Filtros de cigarrillos Recuperación de disolventes Usos domésticos 20

emisiones i de motores Máscaras para protección química

21 Aplicación del carbón activado al Tratamiento de Aguas Potables 21

22 Esquema de potabilización Tamizado Almacenamiento Floculación Sedimentación / filtración Adsorción Oxidación / desinfección 22

23 Papel de la adsorción Etapa anterior a oxidación con cloro Adsorbente: carbón activado mejora sabor y olor elimina i contaminantes t específicos limita formación de subproductos (trihalometanos) 23

24 Carbón activado en polvo Tamaño de partícula: 0.02 mm Agregado g en tanque de floculación Se retira durante filtración y sedimentación Tiempo de contacto: min (según contaminantes) Recomendado para uso zafral o variaciones grandes de caudal 24

25 Carbón activado granular Tamaño de partícula: mm Lecho relleno entre filtración y oxidación Características: resistencia a la abrasión, alto número de iodo (1000) y de melaza (200) Recomendado para uso continuo 25

26 26

27 carbón activado 27

28 Adsorción de contaminantes t 28

29 PAC a partir de eucalipto: modificación por oxidación ió, XPS para OD Región C (1s) Cordero T., Rodriguez-Mirasol J.,Tancredi N., Pirizi J., Vivó G., Rodr.iguez J. J. Ind. Eng. Chem. Res., 41(24), ,

30 PAC a partir de eucalipto: modificación por oxidación ió, XPS para OA con Cr adsorbido Región Cr (2p) Cordero T., Rodriguez-Mirasol J.,Tancredi N., Pirizi J., Vivó G., Rodr.iguez J. J. Ind. Eng. Chem. Res., 41(24), ,

31 GAC a partir de eucalipto: adsorción de fenol en PAC ( ), GAC 80 ( ) y GAC 70 ( ) PAC: aire, 400ºC GAC 80: 80 PAC: 20 (CMC+caolín) GAC 70: 70 PAC: 30 (CMC+caolín) Tancredi N., Cordero T., Medero N., Möller F., Píriz J., Plada C. J. of Colloid and Interface Science, 279 (2), ,

32 Aplicaciones i en Energía 32

33 Diagrama de Ragone 33

34 Supercondensadores (supercapacitors, ultracapacitors) Colector Rojo J.M., Curso: Fronteras en Ciencias de Materiales,

35 Supercondensadores: Mecanismos de almacenamiento de energía Doble capa (EDLC) Pseudocapacitivo o redox C=O + H + = COH Grupos que se eliminan como CO en TPD: =O quinona carbonilo Rojo J.M., Curso: Fronteras en Ciencias de Materiales,

36 Materiales de carbono como materiales de electrodo en supercondensadores Diferentes formas: granos, tubos, fibras, monolitos Elevada superficie específica (1000 m 2 /g) Capacidad debida a doble capa y en parte a efecto pseudocapacitivo Capacidades específicas de F/g Alta conductividad eléctrica Fácilmente procesables Materiales relativamente baratos Rojo J.M., Curso: Fronteras en Ciencias de Materiales,

37 Aplicaciones de los supercondensadores d Tren ligero, automóviles, motos: supercondensadores + baterías Juguetes Teléfonos móviles Rojo J.M., Curso: Fronteras en Ciencias de Materiales,

38 Supercondensadores 38

39 Carbones activados en polvo para supercondensadores d Cuña A., Tancredi N., Bussi J., Deiana A. C., Sardella M. F., Barranco V. y Rojo J. M. Waste and Biomass Valorization,

40 Monolitos de carbón activado oxidación, ió TPD para A y OA 40

41 Pilas de combustible (fuel cells) Dispositivo que transforma la energía química de un combustible (hidrógeno, gas natural, metanol, etanol, gasolina) y un oxidante (aire u oxígeno) en energía eléctrica Opera como una batería pero en vez de recarga requiere un flujo continuo de combustible Clasificación: Baja temperatura: generación móvil de energía Alta temperatura: t generación estacionaria i de energía 41

42 Pilas de combustible: Ejemplo etanol (DEFC) Ánodo : C 2 H 5 OH 3 H O 2 CO 12 H e Cátodo : Total 3O 12H 12e 6H O 2 2 2H 5OH 3O2 3H 2O 2 : C CO 2 42

43 Pilas de combustible: Ejemplo etanol (DEFC) Metales o aleaciones dispersos en matriz de carbón conductor 43

44 Carbón activado como soporte de catalizador Pt y PtSn para DEFC Reacción de electro-oxidación de etanol es lenta Catalizadores ensayados: Pt, PtSn El carbón activado funciona como soporte y disminuye i el costo Da Silva E., Ortega M.R., dos Santos P., Cuña A., Tancredi N., de Fraga C. Int. J. Hydrogen Energy,

45 MUCHAS GRACIAS 45

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