El objetivo principal de esta investigación es desarrollar sorbentes regenerables a partir de estructuras monolíticas compactas en forma de panal de abeja (honeycomb), basados en Au/C para la captura de mercurio.
Para llevar a cabo este objetivo se han desarrollado los siguientes aspectos.
En primer lugar, los monolitos de cordierita junto con los monolitos de carbono en la deposición de oro, se han recubierto con una capa carbonosa. Para ello, se han utilizado dos tipos de resinas, fenólica y furánica mediante el método de inmersión dip coating, seguido de curado y carbonización. Posteriormente, se han caracterizado mediante análisis elemental, espectroscopía infrarroja, determinación de superficie específica y microscopía electrónica de barrido. Una vez caracterizados, se seleccionó la resina fenólica como la más adecuada, ya que presentaba una mayor superficie BET y un mayor volumen total de poro.
Se ha modificado la superficie carbonosa de ambos soportes mediante oxidación con ácido nítrico, oxidación con aire y activación con vapor. Se ha realizado un seguimiento de la evolución de los grupos funcionales oxigenados y de las características texturales de los soportes, tratados para seleccionar las mejores condiciones para introducir oxígeno en la superficie de los soportes y estudiar la influencia de las características físico-químicas del soporte en la deposición de oro coloidal. Dichos soportes han sido caracterizados mediante análisis elemental, espectroscopía infrarroja, determinación de superficie específica y microscopía electrónica de barrido. Los resultados han mostrado un aumento generalizado en los grupos oxigenados superficiales y una disminución en la superficie BET y en el volumen de poro para la oxidación con ácido nítrico, un aumento de la superficie BET, dejando inalterado el volumen de poro en el caso de la oxidación con vapor y un aumento tanto en la superficie BET como en el volumen de poro para la activación con vapor.
La deposición de oro se ha llevado a cabo mediante dos metodologías distintas: mediante una nueva metodología basada en la reducción directa de una disolución de una sal de oro, sobre la superficie carbonosa de los soportes sin modificar, y mediante la deposición de oro nanoparticulado a partir de una disolución de oro coloidal, preparado según metodologías ya existentes sobre los soportes modificados. Se han preparado dos tipos de materiales mediante reducción directa para cada soporte dependiendo de la cantidad de oro depositada, el tamaño de partícula y la distribución de las partículas a lo largo del soporte.
En el caso de la deposición de oro coloidal, se ha buscado una buena distribución de partículas en ambos soportes, ya que el tamaño de partícula viene fijado por la metodología de preparación de la disolución. Se ha depositado oro coloidal sobre los soportes oxidados con aire y activados con vapor, dando lugar a distribuciones peores que las obtenidas mediante la oxidación con ácido nítrico, por lo tanto, se seleccionó la oxidación por ácido nítrico como el mejor método para oxidar los soportes para la deposición con oro coloidal.
Los materiales preparados se han caracterizado mediante espectroscopia óptica de emisión con plasma de acoplamiento inductivo, microscopía electrónica de barrido con analizador de energía dispersiva de rayos X, espectroscopia óptica de emisión con plasma de acoplamiento inductivo, difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido con emisión de campo, microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. La cantidad de oro depositada, representa un 0.1% de la masa total del monolito en el caso de los materiales con mayor cantidad de oro, con un tamaño de partícula comprendido entre 173-46 nm mediante reducción directa y 25.5 nm mediante la deposición de oro coloidal, para los monolitos de carbono integrales y 280-61 nm mediante reducción directa y 29 nm mediante la deposición de oro coloidal para los soportes de cordierita.
Debido a que se ha diseñado una nueva metodología de deposición de oro, se ha realizado un estudio acerca de la cinética de la reacción de electrorreducción de la sal de oro sobre la superficie carbonosa del soporte en dos medios diferentes (agua o agua/etanol 1:1). Calculando el orden de la reacción y la constante cinética del proceso, además, de un estudio de la evolución de la cantidad de oro y de los tamaños de las nanopartículas depositadas en función del tiempo. Como resultado de este estudio, se ha determinado que el orden de la reacción es uno, y que el medio de reacción más adecuado para llevar a cabo la preparación es agua/etanol 1:1 ya que nos permite un mayor control acerca de las partículas depositadas. El seguimiento se ha llevado a cabo mediante espectrometría ultravioleta visible.
Se ha llevado a cabo un estudio para determinar la temperatura más adecuada para el tratamiento térmico reductor una vez que se han preparado los materiales. Dicho tratamiento debe garantizar que la mayor parte del oro esté reducido y que no se produzcan modificaciones morfológicas en las partículas depositadas. Para ello se han estudiado los materiales a temperaturas comprendidas entre los 100 oC y los 600 oC mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, microscopía electrónica de barrido con emisión de campo, y difracción de rayos X. Los resultados han mostrado como temperatura más adecuada la de 300 oC.
Los materiales preparados se han utilizado como sorbentes en una instalación escala banco. En dicha instalación se han obtenido las curvas de ruptura del mercurio, determinado la cantidad de mercurio retenido por los materiales, su eficacia, su regenerabilidad mediante ciclos de captura-regeneración y la influencia de la temperatura de captura. La captura de mercurio se llevado a cabo en un rango de temperaturas de 50-150 oC, caudal es de 234 y 500 ml/min con una concentración inicial de mercurio de 200 g/m3. Los sorbentes preparados tienen una elevada capacidad de retención de mercurio, alcanzándose valores, en función de las condiciones de operación, de 30 mg Hg/g Au, mostrando una alta eficacia de retención a pesar de la baja carga de oro. La cantidad de mercurio capturado no está directamente relacionada con la cantidad de oro depositado ni con el tamaño de partícula. La temperatura de retención no afecta de forma significativa a la capacidad de retención de mercurio ni a la eficacia de retención, en el rango de temperaturas estudiado. Una vez saturado de mercurio, el sorbente es capaz de liberar la mayor parte del mercurio retenido a 220 oC de temperatura. Una vez determinada la temperatura de regeneración, los sorbentes se han sometido a varios ciclos de captura de mercurio-regeneración, donde la capacidad de retención de mercurio se mantiene, lo que confirma que los sorbentes no se ven modificados después de cada regeneración.
Una vez que los sorbentes han agotado su capacidad de captura, se ha evaluado, de manera preliminar, las posibilidades de recuperación del oro y su posible reutilización en la preparación de nuevos materiales. El seguimiento de la extracción de oro se ha llevado a cabo mediante espectroscopia óptica de emisión con plasma de acoplamiento inductivo, microscopía electrónica de barrido con analizador de energía dispersiva de rayos X, microscopía electrónica de barrido con emisión de campo. Sin embargo, no ha sido posible la preparación de materiales similares a los ya caracterizados a partir de una disolución recuperada.
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