Resumen de Captura de mercurio en oxicombustión de carbón con un sorbente regenerable basado en au/c
El mercurio es un elemento extremadamente tóxico que se encuentra de manera omnipresente en la naturaleza. La exposición a este contaminante, a través de la inhalación o/y la ingestión, puede suponer un riesgo para la salud y el medioambiente.
La principal fuente antropogénica de emisión de mercurio a la atmósfera es la combustión de combustibles fósiles, en especial la de carbón. El mercurio se encuentra de manera natural en él y pasa a la atmósfera a través de los gases de combustión. Durante la combustión de carbón, se alcanzan temperaturas superiores a 800ºC en lechos fluidizados y superior a 1300ºC en calderas de carbón pulverizado. Esto implica que el mercurio a la salida de las calderas se encuentra principalmente como mercurio elemental. Posteriormente, a medida que el gas efluente se va enfriando, el mercurio puede sufrir diversas transformaciones, tanto físicas como químicas, que controlan su especiación.
Este hecho es de gran importancia ya que el mercurio oxidado puede retenerse más fácilmente en los sistemas de control de emisiones existentes en una central térmica, pero el mercurio elemental se emitiría a la atmósfera. Además, si el CO2 emitido es separado del efluente para su captura, se pueden presentar problemas de corrosión en las unidades de tratamiento de CO2 antes de la compresión debido al ataque del mercurio al aluminio en los intercambiadores de calor.
La oxicombustión o combustión sin nitrógeno es una tecnología que permite evitar la separación del CO2 diluido en la combustión convencional, de forma que el gas de salida está compuesto principalmente de vapor de agua y CO2, con concentraciones elevadas de CO2 fácilmente separable del vapor de agua por enfriamiento y condensación. Desde el punto de vista de las emisiones de mercurio, en la oxicombustión la concentración del mercurio en los gases de combustión es mayor que cuando tiene lugar una combustión convencional, ya que el volumen del gas de salida es menor al quemar con oxígeno en vez de con aire, lo que hace que la concentración de mercurio en las unidades de procesado de CO2 sea superior, con la problemática de la corrosión en los intercambiadores de calor. Así pues, el mercurio no es sólo un problema medioambiental si no también operacional.
La tecnología de inyección de carbones activados (ACI) consigue buenas eficacias de eliminación de mercurio, pero se pierde la comerciabilidad de las cenizas volantes que, en el mejor de los casos, debe tratarse como residuo, aunque podría llegar a considerarse residuo tóxico.
En este contexto, el objetivo principal de este trabajo es desarrollar un nuevo proceso de captura de mercurio eficaz que minimice la generación de residuos.
Por lo tanto, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sorbente regenerable, basado en nanopartículas de oro, que sea capaz de retener el mercurio mediante un proceso de amalgamiento con el oro y que sea capaz de desorberlo mediante un calentamiento ligero del propio sorbente.
Para alcanzar el objetivo citado, se han preparado y caracterizado diferentes materiales en los que se modificaba tanto la preparación del soporte carbonoso como las condiciones de deposición del oro nanoparticulado. Dicha deposición se realiza mediante la reducción directa de la sal de oro aprovechando las propiedades reductoras del propio soporte carbonoso, sin la adición de ningún tipo de agente reductor ni protector. Se ha pretendido conseguir la deposición de partículas de oro de tamaño nanométrico. Para ello se ha estudiado la influencia del soporte en la deposición del oro, comprobando que el aumento de la temperatura de carbonización del soporte o la cantidad de material carbonoso depositado no mejoran significativamente la deposición de oro.
Una vez depositado el oro nanoparticulado, los sorbentes se sometieron a un tratamiento térmico reductor y se caracterizaron mediante diferentes técnicas. Se obtuvo la cantidad de oro depositada mediante ICP-OES, la cantidad de oro superficial mediante SEM-EDX, se obtuvieron imagénes mediante FE-SEM para determinar el área recubierta, la circularidad de las nanopartículas de oro, la distribución de tamaño de partícula de oro y el diámetro feret, se caracterizó mediante XRD el tamaño de cristal del oro y se estudió el estado de oxidación del oro depositado mediante XPS.
Una vez caracterizados los sorbentes, se evaluó su capacidad de captura del mercurio a distintas temperaturas comprendidas dentro del rango: 50-150ºC, en atmósfera inerte, tanto N2 como CO2. En estos experimentos se pudo observar que bajo la misma atmósfera, la temperatura en ese rango no afectaba significativamente la eficacia de retención de mercurio. Además se observó que la capacidad de retención de mercurio en N2 era ligeramente superior que en CO2.
También se evaluó la capacidad de retención de mercurio de estos sorbentes a 50ºC en atmósfera de oxicombustión simulada, con una concentración inicial de mercurio de 100 μg/m3. En este caso no solo se estudió la capacidad de retención del sorbente en atmósfera de CO2 sino que se evaluó la influencia de diferentes componentes (O2, H2O, SO2, NO, HCl) presentes en la atmósfera de oxicombustión. Se llevaron a cabo dos tipos de experimentos. Los primeros se realizaron en una planta experimental que simulaba diversas atmósferas de oxicombustión. El segundo tipo de experimentos se llevaron a cabo en la cámara catalítica del XPS. El objetivo de realizar este segundo tipo de experimentos fue el de evaluar la influencia que los distintos gases de combustión tienen en el sorbente, tanto en presencia como en ausencia de mercurio. La ausencia de mercurio permite estudiar las propiedades catalíticas del oro nanométrico.
Los principales resultados muestran que el oro tiene cierta actividad catalítica en presencia de diferentes componentes de los gases, lo que lleva a que pueda oxidarse parcialmente el mercurio que se adiciona únicamente en su estado elemental. Este mercurio oxidado tiene una gran afinidad por el soporte, que también se modifica en presencia de los distintos componentes del gas, como se deduce de experimentos llevados a cabo únicamente con el soporte.
Paralelamente, se realizó un estudio de regenerabilidad de los sorbentes, llevando a cabo diversos ciclos de captura de mercurio-regeneración. Se observó una elevada repetitividad en los ciclos, indicando que la capacidad de retención del sorbente no se ve afectada de forma significativa después de varios ciclos de retención-regeneración.
Una vez evaluado el sorbente en la planta a escala de laboratorio, éste también se probó en una planta piloto de lecho fluidizado burbujeante que trabaja en condiciones reales de oxicombustión. Durante los experimentos se quemó lignito nacional y el sorbente alcanzó eficacias aproximadas del 95%, incluso en ciclos de regeneración.
