New generation adsorbents for gas separation: from modeling to industrial application
- Autores: Daniel Bahamón García
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Lafuente Sancho (dir. tes.), Maria Lourdes Vega Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Concepción Domingo Pascual (presid.), Francesc Medina Cabello (secret.), Hermenegildo García Gómez (voc.)
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- Resumen
Teniendo en cuenta el rápido aumento de la población y el crecimiento en el consumo de energía como consecuencia de grandes progresos en transporte y tecnología, el desarrollo sostenible es de especial relevancia pues sugiere la búsqueda de formas de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, incluyendo la captura y almacenamiento de carbono (o utilización), la eficiencia energética, fuentes alternativas de energía y ahorro de energía, como ya se ha sugerido por el protocolo de Kioto y los informes del IPCC. De ahí que en los últimos años se haya dedicado un esfuerzo considerable a desarrollar tecnologías para la captura y almacenamiento de CO2 a partir de fuentes concentradas de emisión. Además de establecer nuevas tecnologías, durante las últimas décadas la ciencia de materiales sólidos porosos se ha convertido en una de las áreas más intensas de investigación y desarrollo para químicos, físicos y científicos de materiales. De hecho, se ha avanzado considerablemente en el desarrollo de nuevos adsorbentes para diversos procesos de separación. Por ejemplo, las estructuras órgano-metálicas (MOFs) han ido ganando considerable atención como materiales prometedores para aplicaciones de almacenamiento y separación de gases, debido a sus propiedades excepcionales. Sin embargo, es necesaria una comprensión a nivel molecular de la adsorción de gases para acelerar el diseño y desarrollo de aplicaciones a la carta. También es fundamental conocer el comportamiento bajo condiciones de humedad e impurezas, como se tiene normalmente en aplicaciones industriales específicas. El trabajo desarrollado en esta Tesis Doctoral destaca el uso de técnicas de simulación molecular para la optimización de procesos relacionados con el medio ambiente. El objetivo general se centra en avanzar en el campo de materiales para la captura y separación de dióxido de carbono a condiciones de proceso. Se considera de manera explícita la influencia del vapor de agua e impurezas, tanto a la luz de los fundamentos de la adsorción como en la aplicación para la captura de CO2 por post-combustión mediante ciclos de adsorción por oscilación. Partiendo de una breve descripción de los fundamentos de la adsorción y de las simulaciones moleculares, se presenta una revisión exhaustiva de estudios recientes de materiales para captura y separación de CO2, proporcionando así información valiosa para su aplicación industrial. Basados en esta revisión, se han estudiado en detalle algunos de los materiales más prometedores para un proceso de adsorción por cambio de temperatura (TSA) basado en simulaciones moleculares, proponiéndose un nuevo procedimiento para la evaluación y optimización de los sistemas de captura en condiciones reales. Dada la gran influencia de trazas de agua en la separación, se investiga también el CuBTC (uno de los MOF más estudiados y estables en agua) en comparación con la zeolita de referencia 13X. Se examina en detalle el efecto de las especies coexistentes, así como la influencia del agua y SO2 en los gases de combustión, con el fin de llegar a una mejor comprensión de la capacidad de adsorción, la selectividad, la localización de las moléculas en el material, las distribuciones de calor isostérico y su relación con el proceso. Asimismo, se han llevado a cabo estudios paramétricos detallados para una investigación comparativa de la separación de mezclas multi-componentes de gases de combustión mediante el uso de otras zeolitas como caolinita y chabacita. Y finalmente, se presenta un trabajo adicional relacionado con otro problema medioambiental: la separación de un contaminante (ibuprofeno) en agua, mediante el uso de carbones activados, usando las mismas técnicas computacionales, demostrando así la versatilidad de las herramientas empleadas para este tipo de sistemas.
