MÉTODO DE OBTENCIÓN DE UN CARBÓN ACTIVO
SECTOR TÉCNICO
La presente invención pertenece al área de la ingeniería y tecnología medioambiental, muy en particular a la depuración de aguas residuales, con la obtención de carbón activo que puede actuar como catalizador en la adsorción de contaminantes.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Las propiedades adsorbentes de los carbonizados se pueden atribuir a su amplia superficie interna, su alta reactividad superficial, una desarrollada porosidad y un tamaño de poro favorable que permite la accesibilidad a su superficie interna, aumentando así la tasa de adsorción y fuerza mecánica.
Un proceso típico en la técnica para la fabricación de carbonizados implica el calentamiento del material inicial en ausencia de oxígeno, o pirólisis.
Las propiedades del carbono activo obtenido por un proceso de pirólisis serán diferentes en función del material o residuo que se utilice, así como del proceso. Este proceso suele necesitar la activación de dicho material de partida y ajustar, además, unas condiciones de carbonización, que incluyen la velocidad de calentamiento y la temperatura final del proceso de activación. Esto condiciona tanto el volumen final de los poros y su diámetro medio, como el área superficial total.
En la descomposición pirolítica la mayor parte de los elementos no carbonosos del material de partida, oxígeno e hidrógeno, son eliminados como productos volátiles gaseosos. Los átomos de carbono residuales se agrupan en forma de láminas o anillos aromáticos condensados resultando una cierta estructura planar. La disposición de estas láminas aromáticas es irregular, de manera que quedan intersticios libres entre ellas. Estos intersticios son los que van a dar lugar a los poros que hacen de los carbones activos excelentes adsorbentes (Jeong Y. et al. "Three-stage air gasification of waste polyethylene: In-situ regeneration of active carbon used as a tar removal additive"; 2019; Energy, Vol. 166, p.335-342) .
La mayor parte de la superficie está asociada a los microporos que, según la definición IUPAC, tienen diámetros efectivos menores de 2 nm, y a mesoporos con diámetros entre 2 y 50 nm. Los macroporos tienen diámetros mayores de 50 nm y, aunque su contribución al área superficial no es muy alta, es importante su función de pasadizo para el adsorbato o material contaminante que se desea retener en el interior de los meso y microporos.
Son múltiples los documentos de patente relacionados con la fabricación de carbones activos a partir de diferentes materiales hidrocarbonados.
Así, la patente AU 617746 B2 describe la obtención de adsorbentes carbonáceos de polímeros polisulfonados pirolizados, mientras que la solicitud US 2013009152 A1 los obtiene de fertilizantes orgánicos.
Todos los documentos de patente que utilizan sólo activación física fijan la temperatura de pirolización a un valor constante para conseguir una pirolisis completa. La pirolisis completa conlleva por un lado un mayor coste de producción, puesto que es necesario emplear mayor energía de proceso, y por otro implica una menor cantidad de material producido al ser mayor la cantidad de volátiles que se pierden en el proceso. La patente CN 104874352 A utiliza pirólisis completa para obtener carbones activos a partir de lodos industriales, y la patente US 9808761 B2 además a partir de compost y desechos de tabaco.
En la industria textil siempre se introduce, además de una carbonización física por temperatura, la activación química del material. La activación química se consigue con aditivos como el cloruro de amonio o zinc, entre otros, y ayuda a conseguir mayor porosidad en el producto final y con ello mayor calidad del material. Sin embargo, el procedimiento implica un coste elevado además de resultar extremadamente contaminante.
La patente CN104071770B se basa en la activación química con una solución de KH-550 de material residual a base de algodón sometiéndolo a un proceso de calentamiento bajo atmósfera inerte.
Por otro lado, debido a un contenido en carbono y volátiles superior al 40% en base seca, la lana residual y sus derivados textiles presentan un gran potencial de transformación en material adsorbente por un proceso termoquímico en atmósfera inerte. Los documentos CN101966447A y CN106000299B utilizan lana para obtener carbonos activos, siempre ayudándose de la activación química.
Tanto por la activación química como por el gasto de energía de una pirólisis completa, la fabricación del carbón activo comercial supone un elevado coste. Esta es la razón de que no se incorpore por ejemplo en tratamientos terciarios de depuración de aguas para la retención de contaminantes orgánicos o inorgánicos que no hayan sido retenidos en un proceso convencional.
De forma que el problema de la técnica se puede plantear como la necesidad de obtener carbonos activos a partir de un material textil, en un proceso que reduzca los costes actuales. La solución que propone la presente invención es un proceso pirolítico a una temperatura que supone una pérdida sólo del 75% de los volátiles del material, en vez de pirólisis completa.
En el mejor conocimiento de los inventores, no se ha descrito la obtención de carbonos activos a partir de un material textil haciendo uso de una activación física exclusivamente, por temperatura.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención es un método de obtención de un carbón activo, que comprende varias etapas.
La primer es la obtención de un material de partida que es lana o un material textil que contiene lana en un porcentaje de al menos 75% en peso, en un tamaño de partícula de hasta 3 mm, preferiblemente de 1 mm, preferiblemente también por molienda o tamizado. Se da al material original un tamaño apropiado para su manejo en la pirolización posterior.
La siguiente etapa es la determinación del contenido en cenizas y volátiles de dicho material de partida, preferiblemente por termogravimetría. A partir del contenido en enizas y volátiles se determina la temperatura a la que se pierde entre el 70% y 80% de los volátiles de dicho material de partida, preferiblemente el 75%.
Una vez conocido el comportamiento de la muestra bajo situaciones de calentamiento en atmósferas inertes se procede a la realización del proceso pirolítico a la temperatura fijada por la pérdida del 75 % de volátiles del material para obtener el carbón activo; preferiblemente ajustando la rampa de calentamiento a 1.- 5 K/min, y con un tiempo de residencia a la temperatura final de calentamiento de 2.- 30 min minutos.
La invención consigue carbonizados destinados a la adsorción de contaminantes en aguas residuales a partir de lana residual y sus derivados textiles. Este material presenta un alto contenido en carbono, volátiles y queratina, lo que facilita la capacidad de retención de contaminantes tras someter el material indicado a procesos de calentamiento en ausencia de oxígeno.
De esta manera, se procede primero a un análisis elemental del material biomásico queratinoso de origen, determinándose el contenido en carbono, volátiles y ceniza. Una vez conocido el resultado se determina la temperatura final de activación física por calentamiento bajo atmósfera inerte a la que se someterá el material durante el proceso de fabricación del carbón activo. El perfil gravimétrico reflejará la pérdida de peso que tiene lugar con el aumento de la temperatura, que se debe básicamente al secado y a la desvolatilización bajo calentamiento en atmósfera inerte.
Se persigue eliminar el contenido en volátiles de forma no agresiva que consiga que el residuo poroso final mantenga el mayor número de poros con capacidad adsorbente.
El proceso de la presente invención presenta la ventaja de no necesitar aditivos químicos y de no fijar una temperatura de proceso a un valor constante y muy alto a priori.
El área BET de los carbones obtenidos por el procedimiento de la presente invención se estiman en una tercera parte de los valores de área de carbones comerciales. Pero el proceso de fabricación propuesto, al utilizar un material residual y reducir el número e operaciones y la energía invertida en la activación física, reduce el coste de obtención a una cuarta parte, con lo que resulta rentable.
En suma, el proceso de la presente invención supone un 25% de abaratamiento en la obtención del carbón activo a partir de lana residual si se compara con otras fabricaciones de carbón activo que tampoco utilizan activación química a partir de otros materiales (US 9808761 B2) , debido a que reduce la energía invertida en el proceso de fabricación. Con respecto al ahorro frente a los procesos que utilizan una activación química (CN104071770B) , al reducir una de las etapas se estima en un 40 %.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1: Termograma 1. Se representa la pérdida de peso en función de la temperatura bajo atmósfera inerte de la muestra de lana residual del Ejemplo 1. Se observa la temperatura a la que se pierden todos los volátiles (Punto 2) y la temperatura definida según la invención, a la que se pierde el 75 % de los volátiles y a la que se realizará el proceso de carbonización del material (Punto 1) .
Figura 2: Termograma 2 en el que representa la pérdida de peso en función de la temperatura bajo atmósfera inerte de la muestra de lana residual del Ejemplo 3. Se observa la temperatura a la que se pierden todos los volátiles (Punto 2) y la temperatura definida según la invención, a la que se pierde el 75 % de los volátiles y a la que se realizará el proceso de carbonización del material (Punto 1) .
EJEMPLOS
Ejemplo 1: Fabricación de carbón activo con lana residual (material 1) de oveja de dos años en semiestabulación.
Se tomaron 5 g del material 1 y se realizó un análisis elemental e inmediato según normativa UNE 32-001081, UNE 32-019-84 y UNE 32-004-84 para la determinación del contenido en Carbono, volátiles y cenizas (CHN-600 LECO y horno de mufla TERMOLYNE-48000 con control automático de temperatura) . La tabla 1 muestra el resultado obtenido.
Tabla 1. Análisis elemental e inmediato del material 1
La figura 1 muestra el termograma en el que se representa la pérdida de peso en función de la temperatura bajo atmósfera inerte de la muestra 1. Se observa la temperatura a la que se pierden todos los volátiles y la temperatura definida según la invención, a la que se pierde el 75 % de los volátiles y a la que se realizará el proceso de carbonización del material. La termogravimetría se realiza para una masa de 7, 8 mg de muestra.
Según los valores de la misma, se determina el proceso de activación física a una temperatura de 357°C (temperatura de pérdida del 75% de los volátiles) , a una rampa de 5 K/min y con un tiempo de residencia a la temperatura indicada de 20 minutos.
Ejemplo 2: Caracterización del carbón obtenido del material 1
Con el carbono activo obtenido se realizó una medición de área BET (adsorción de nitrógeno a 77 K por el método BET de un punto; Brunauer, Emmet y Teller (Hu d. y col. "Active carbon supported S-promoted Bi catalysts for acetylene hyddrochlorination reaction.", 2018; Chinese Chemical Letters, Vo. 29, Issue 9, p. 1413-1416) obteniendo un valor de 421, 03 m2/g, tal y como se indica en la tabla 2 medida por isotermas de adsorción de nitrógeno.
Tabla 2. Area BET del carbón activo obtenido
Ejemplo 3: Fabricación de carbón activo con lana residual (material 2) de carnero de un año en estabulación libre.
Se tomaron 5 g del material 2 y se realizó un análisis elemental e inmediato según normativa UNE 32-001081, UNE 32-019-84 y UNE 32-004-84 para la determinación del contenido en Carbono, volátiles y cenizas (CHN-600 LECO y horno de mufla TERMOLYNE-48000 con control automático de temperatura) . La tabla 3 muestra el resultado obtenido.
Tabla 3. Análisis elemental e inmediato del material 2
La figura 2 muestra el termograma en el que representa la pérdida de peso en función de la temperatura bajo atmósfera inerte de la muestra de lana residual 2. En la misma se observa la temperatura a la que se pierden todos los volátiles y la temperatura definida según la invención, a la que se pierde el 75 % de los volátiles y a la que se realizará el proceso de carbonización del material. La termogravimetría se realiza para una masa de 7, 5 mg de muestra.
Según los valores representados, se determina el proceso de activación física a una temperatura de 401°C (temperatura de pérdida del 75% de los volátiles) , a una rampa de 5 K/min y con un tiempo de residencia a la temperatura indicada de 20 minutos.
Ejemplo 4: Caracterización del carbón obtenido del material 2
Con el carbono activo obtenido se realiza una medición de área BET según el procedimiento del ejemplo 2 obteniendo un valor de 421, 03 m2/g, tal y como se indica en la tabla 4 medida por isotermas de adsorción de nitrógeno.
