Introducción
El dióxido de carbono (CO2), principal gas de efecto invernadero, está estrechamente relacionado con el calentamiento global y el cambio climático debido a la combustión de combustibles fósiles, por ejemplo, en centrales eléctricas. Hay que tomar las medidas necesarias para reducir el impacto medioambiental delCO2.
ElCO2 de los combustibles fósiles se libera principalmente a través de los gases de combustión a temperaturas más elevadas, normalmente por encima de 350°C. Debido a la alta temperatura del gas, la mayoría de los adsorbentes físicos convencionales no pueden utilizarse debido a la disminución de la adsorción física con el aumento de la temperatura. Enfriando la temperatura delCO2 en el gas de combustión, podrían emplearse adsorbentes físicos, pero ello daría lugar a ciclos de desorción más largos.
Para superar esta limitación, la aplicación de adsorbentes químicos (líquidos o sólidos) a temperaturas más elevadas podría ser la clave. Estos materiales absorben directamenteel CO2 a altas temperaturas; no es necesario enfriar el gas y se puede conseguir una separación eficaz de las mezclas de gases.
Entre los adsorbentes químicos deCO2 típicos para altas temperaturas se encuentran principalmente los adsorbentes de amoníaco, los adsorbentes a base de calcio y los adsorbentes a base de litio [1]. Los adsorbentes a base de litio ofrecen la posibilidad de almacenar y transportarCO2 debido al proceso de reacción que convierteel CO2 del estado gaseoso al estado sólido [2].
Entre estos adsorbentes cerámicos de metales alcalinos, el Na2ZrO3, que también pertenece al grupo de los metales alcalinos, tiene un menor coste de preparación, una capacidad de adsorción más rápida y una temperatura de adsorción más elevada. Por ello, el estudio del Na2ZrO3 ha atraído la atención de muchos investigadores.
El proceso de reacción de adsorción de Na2ZrO3 conCO2 se muestra en la siguiente Ecuación(1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
La temperatura de adsorción deCO2 por Na2ZrO3 está en el rango de 400°C a 800°C [4-6]. Cuando la temperatura es inferior a 800°C, la reacción procede espontáneamente y se desplaza hacia el lado de los productos, y el Na2ZrO3 reacciona con elCO2 para formar Na2CO3. Viceversa, con temperaturas superiores a 800°C, la reacción procede en sentido inverso, y la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición del Na2CO3 liberaCO2 y vuelve a formar Na2ZrO3. La reacción reversible permite la adsorción y desorción deCO2 de forma cíclica.
En este trabajo, se investigaron las propiedades de adsorción-desorción del Na2ZrO3 para elCO2 y se compararon los efectos del método de preparación del Na2ZrO3.
Experimental
El rendimiento de adsorción-desorción cíclicade CO2 (programa de medición de la figura 1) se probó con un STA 2500 Regulus colocando unos 10 mg de adsorbente en un crisol de alúmina y calentándolo desde la temperatura ambiente hasta 850°C a una velocidad de calentamiento de 20 K/min bajo una atmósfera de N2 puro (flujo de gas de 100 ml/min), manteniéndolo IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico durante 10 minutos para eliminar las impurezas de la muestra y enfriándolo después hasta 650°C a 20 K/min. Cuando la temperatura alcanzó los 650°C, la atmósfera se cambió a una mezcla de N2/CO2 que contenía un 15% deCO2.
La reacción de adsorción se llevó a cabo en un segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico durante 30 min. Después, la atmósfera se volvió a cambiar a N2 puro y la muestra se calentó a 850°C a 20 K/min. La desorción se caracterizó en un segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico durante 10 minutos a 850°C. La estabilidad del adsorbente se comprobó realizando ese programa de temperatura 10 veces.
Las diferentes posibilidades de preparación de muestras para Na2ZrO3 se describen en la tabla 1.
Tabla 1: Preparación de la muestra de Na2ZrO3.
| Muestra | Método de síntesis | Método de secado |
|---|---|---|
| WM-HD | método de mezcla húmeda (WM) | secado por calor (HD) |
| WM-FD | método de mezcla húmeda (WM) | liofilización (FD) |
| SG-HD | método sol-gel (SG) | secado por calor (HD) |
| SG-FD | método sol-gel (SG) | liofilización (FD) |
Resultados y debate
La figura 2 muestra la curva TGA de las diferentes muestras de Na2ZrO3 sintetizadas por métodos. Se puede observar que la masa de cada curva aumentó significativamente mientrasel CO2 estuvo presente como socio de reacción. Una vez eliminadoel CO2 del sistema, la masa volvió a disminuir. Cuando la reacción alcanzó el octavo ciclo, el rendimiento de adsorción de los cuatro adsorbentes se estabilizó y permaneció comparable con el noveno y décimo ciclo. Se puede observar que el Na2ZrO3 obtenido por el método de mezcla húmeda (WM-HD, verde; y WM-FD, rojo) tiene un mejor rendimiento de adsorción que las muestras sintetizadas por el método sol-gel. Las cantidades de adsorción de los cuatro adsorbentes siguieron el siguiente orden de mayor a menor: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Al derivar la curva TGA, mostrada en la figura 2, puede obtenerse la curva de tasa de pérdida de masa o DTG, que indica el cambio en la tasa de cambio de peso con respecto a la temperatura/tiempo. Estas curvas representan la tasa de adsorción deCO2 para las diferentes condiciones de síntesis del Na2ZrO3.
La figura 3 representa la curva DTG de la adsorción deCO2 de los cuatro adsorbentes en el octavo ciclo. De la figura se desprende que las tasas de adsorción de los adsorbentes tienen, en general, la misma tendencia. Sin embargo, SG-FD muestra la tasa de adsorción más alta en comparación con las otras tres muestras. Además, las tasas de SG-HD y WM-HD son similares y la muestra WM-FD muestra la tasa de adsorción más baja. El adsorbente Na2ZrO3 se sintetizó mediante los métodos de mezcla húmeda y sol-gel, seguidos de liofilización y secado por calor. Se puede especular que el método de mezcla sol-gel y liofilización es más adecuado para la formación de la estructura porosa, y se podría obtener una mayor superficie específica a través de este enfoque sintético.
Conclusión
El NETZSCH STA 2500 Regulus puede utilizarse para investigar las propiedades de adsorción de diferentes materiales. En este ejemplo, se investigaron cuatro muestras diferentes de Na2ZrO3 sintetizadas y se caracterizaron las propiedades de adsorción deCO2. Cabe suponer que la ruta de síntesis mediante el método sol-gel y la posterior liofilización conducen a una reactividad superficial significativamente mayor.
Al comprender la relación entre la síntesis y las propiedades de adsorción, se puede considerar el rendimiento de adsorción óptimo para una aplicación individual y ajustarlo en consecuencia.