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Producción de carbón activado basado en cascaras de palma con una distribución más homogénea en el tamaño del poro

Operaciones Unitarias IIKarina Limón Long14 de Mayo del 2014

• Título: Producción de carbón activado basado en cascaras de palma con una distribución más homogénea en el tamaño del poro.

• Autores :A. Arami Niya W.M.A Wan DaudF.S Mjalli

Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Malaya en Kuala Lumpur, Malasia. • Revista:

Revista de Ciencias Aplicadas 10 (24): 3361-3366, 2010de la Red Asiática de Información Científica.

Índice

•Definiciones• Introducción•Materiales y Métodos•Resultados y Discusión•Conclusión

DEFINICIONES

Carbón Activado

• Adsorbentes altamente cristalinos y una alta porosidad.

• Se caracteriza por poseer una superficie específica con una cantidad de poros muy finos que son los que retienen (adsorben) ciertos compuestos no deseados.

Activación Química

• Deshidratación de la materia prima mediante la acción de un químico como ácido fosfórico, cloruro de zinc o carbonato de potasio.

• Se carboniza el material a temperatura media (500ºC a 600ºC) obteniéndose así la estructura porosa.

Activación Física (Térmica)

Consiste en oxidar la materia prima a altas temperaturas (800°C y 1000 °C) en una atmósfera inerte o reductora, casi siempre saturada con vapor de agua.

Teoría de BET(Brunauer-Emmett-Teller)

• Explica la adsorción física de moléculas de gas en una superficie solida.

• Base de medición del área especifica de un material.

INTRODUCCIÓN

Carbón Activado

• Área superficial interna y porosidad altamente desarrollada

• Alta capacidad de adsorción para gases o líquidos

• Almacenamiento y transporte de fluidos dependen de la distribución del tamaño del poro del material.

Clasificación IUPAC del Tamaño del Poro

TIPO Tamaño de Poro (A)Ultramicroporo < o =7Supermicroporo 7 a 20Mesoporo 20 a 500Macroporo > o = 500

Activación Química

• Baja temperatura de activación.

• Mayor rendimiento en producto de carbono.

• H₃PO₄ y ZnCl₂ genera mesoporosidad.

• Baja concentración permite el desarrollo de microporos angostos.

Materia Prima

• Subproductos agrícolas como residuos su colocación o eliminación es costosa y causa severos daños ambientales.

• Alto y bajo contenido de cenizas de carbón.

• Diferencias en la composición del material influencian en la estructura y la distribución del tamaño del poro.

Estudio Actual

• Aceite de cáscara de palma como precursora (alta densidad, alto contenido de carbón y poca ceniza).

• Carbón activado químicamente (baja concentración H₃PO₄ y ZnCl₂).

• Muestras preparadas fueron calentadas bajo CO₂.

• C. A microporosos con gran área superficial y una distribución de tamaño microporo angosta.

MATERIALES Y METODOS

Preparación

• La cascara se muele y tamiza a una partícula de 1-2 mm (Lava y seca).

• Una mezcla de Xp = 0.09 ó Xzn = 0.25 se agitó a 85°C por 2 horas.

• Muestras impregnadas se calientan de 450 a 500°C, por 2 horas bajo una velocidad de flujo de N₂ de 100 ml/min.

• Los productos son carbonizados a 900 °C por 1 hora.

• Se utiliza vapor de dióxido de carbono a una velocidad de flujo de 100 ml min⁻¹ por 1-7 horas para obtener carbón activado con diferentes grados de quemado.

Caracterización

• Adsorción y desorción de nitrógeno a -196 °C.

• Áreas de superficie específicas fueron determinadas acorde al método BET:

V= Volumen adsorbido a una presión relativa P/P₀

P₀= Presión de saturación (presión de vapor liquido-gas a una temperatura de adsorción)

Vm= Volumen del gas (stp) requerido para formar una monocapa de adsorbato

C= Constante relacionada a la energía de adsorción

• El volumen del microporo fue estimado usando la ecuación Dubinin-Radushkevich (DR):

V= Volumen adsorbido a una presión relativa de P/P₀V₀= Volumen del microporoE= Energía de adsorciónΒ= Coeficiente de afinidad de adsorbato R= Constante universal de gas.

RESULTADOS Y DISCUSION

FIG 1. Isoterma de adsorción N₂ de carbón activado por ZnCl₂, seguido por CO₂.

N₂ isoterma de adsorción

• Una meseta casi plana a altas presiones relativas( indica materiales microporosos).

• Capacidad de adsorción incrementa con el incremento en el tiempo de activación (ampliación en la micro porosidad).

Comercial vs CZ

• Muestras incluyen microporos y el tamaño de estos se amplían con el incremento de la longitud de activación.

• Tiempo de activación incrementa la adsorción de nitrógeno y el volumen del microporo se agranda también.

• Adsorbió una cantidad menor de nitrógeno

• Pendiente de esta meseta y el incremento en la adsorción a altas presiones relativas son las mayores diferencias con las otras muestras

• Rango más amplio de microporos comparado con las series CZ.

FIG. 2. Isotermas de adsorción de N₂ de carbón activado por H₃PO₄ seguido de CO₂.

CP1,CP3,CP5 vs CP7

• Muestran la misma forma de isoterma de adsorción a bajo grado de quemado.

• CP3 lograron una alta capacidad de adsorción comparado a CP1 a presión relativa baja (ampliación del microporo).

CP7 revela un incremento gradual en la adsorción de nitrógeno:

• En este caso la adsorción de nitrógeno es menos a baja presión relativa (P/P₀ < 0.3).

• Incremento en adsorción a presiones más altas y luego resulta en una forma similar a las otras mesetas (material mesoporoso).

Distribución de tamaño del poro

• Heterogeneidad estructural del material poroso

• Relacionada a características de equilibrio y cinética de estos materiales usados en propósitos industriales.

FIGURA 3. Distribución de tamaño del poro de carbón activado por ZnCl₂ seguidos por CO₂.

CZ vs Comercial• Todas las curvas tienen su máximo al diámetro del poro

alrededor de 2 nm (microporos).

• CA comercial muestra un amplio rango de distribución de tamaño del poro incluyendo mesoporos.

• CZ presentan más porcentaje de microporo y una distribución de tamaño del poro más homogénea.

FIGURA 4. Distribución de tamaño del poro de carbón activado por H₃PO₄ seguido por CO₂.

• Incrementando el tiempo de la activación térmica, la distribución de tamaño del poro se amplía (mesoporosa más de 2 nm).

• Incrementando la duración de activación de 1 a 7 hrs, el volumen de mesoporo incrementa.

• La formación de microporos aumenta hasta 5 hrs de activación

• El ensanchamiento de estos mesoporos se lleva a cabo continuamente en todas las muestras.

CONCLUSIÓN

1. La combinación de activación física y química de cascaras de palma revela que las muestras impregnadas de H₃PO₄ alcanzaron mayor área de superficie y volumen de microporo que esas preparadas utilizando ZnCL₂ .

2. Usando pequeñas cantidades de ZnCl₂ y H₃PO₄ crea poros pequeños que se pueden desarrollar homogéneamente por activación física extra.

3. La combinación de activación física y química crea una distribución de tamaño de poro mas homogénea.

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