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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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