Captura de CO2 mediante zeolitas de porosidad jerarquizada funcionalizadas con grupos amino

Abstract

El rápido incremento de la población y los avances tecnológicos producidos a lo largo del siglo XX han producido un aumento considerable de la demanda energética. La mayor parte de ésta procede de la quema de combustibles de origen fósil cuya explotación produce la emisión de gases de efecto invernadero que son los principales contribuyentes al cambio climático. En la actualidad, existe un gran interés por reducir las emisiones de dióxido de carbono ya que éste es el gas que más influye al calentamiento global. Por este motivo, las investigaciones acerca de las mejoras en el proceso de captura de CO2 se han incrementado. El método más utilizado para la separación de CO2 de un flujo de gases es la absorción química, pero presenta inconvenientes tales como problemas de corrosión, grandes necesidades energéticas para regenerar el disolvente, y la imposibilidad de trabajar a elevadas temperaturas. Este motivo ha llevado al empleo de sólidos adsorbentes para la captura de CO2. Las zeolitas son materiales microporosos excelentes para ser empleados como sólidos adsorbentes ya que presentan características texturales y estructurales favorables como son su estructura porosa, elevada cristalinidad y gran superficie específica. Estas propiedades provocan que tengan una buena capacidad de adsorción de CO2 a bajas temperaturas (T < 25 ºC) y presiones elevadas (P > 6 bar). Sin embargo, para la aplicación práctica de captura de CO2 en gases de chimenea de centrales térmicas, es necesario trabajar en unas condiciones de presión atmosférica, con contenidos máximos en CO2 de un 15 % y temperaturas de unos 45 ºC, tras la unidad de desulfuración de gases. En estas condiciones, los materiales zeolíticos presentan baja capacidad de adsorción de CO2. Con objeto de intentar mejorar dicha capacidad de adsorción se ha planteado en este trabajo el uso de zeolitas con porosidad jerarquizada, esto es, con microporos zeolíticos y una estructura porosa adicional, generalmente en el rango de los mesoporos. Estos materiales presentan una elevada cristalinidad y unas propiedades mejoradas respecto de la muestra silicalita-1 de referencia debido a la formación de una porosidad adicional a los microporos zeolíticos en el rango de los mesoporos. La mejora de los valores de área BET, área externa y volumen de microporo son de 418 m2/g, 29 m2/g y 0,170 cm3/g para la muestra de referencia, a 617 m2/g, 225 m2/g y 0,181 cm3/g, respectivamente, para la muestra con porosidad jerarquizada. La incorporación en estos materiales de compuestos organosilanos que contengan grupos amino capaces de quimisorber CO2 podría provocar que estos materiales tuvieran capacidad de adsorción de CO2 por fisisorción en microporos y quimisorción en mesoporos. Para alcanzar este fin se ha sintetizado silicalita-1 con porosidad jerarquizada mediante el método de silanización de núcleos cristalinos. Posteriormente se ha intentado incrementar la cantidad de grupos hidroxilo en la superficie de este material mediante tratamientos térmicos e hidrotérmicos con el fin de aumentar su capacidad para ser funcionalizado con compuestos organosilanos que contengan grupos amino. Estos tratamientos realizados para aumentar la proporción de grupos hidroxilo superficiales en la zeolita silicalita-1 con porosidad jerarquizada no producen cambios significativos respecto de la muestra original, por lo que tampoco se produce mejora en la posterior incorporación de compuestos organosilanos con capacidad para quimisorber CO2 respecto de las muestras sin tratar. Se ha llevado a cabo el estudio de la funcionalización de esta zeolita con dos compuestos distintos, N-[3-(trimetoxisilil) propil] dietilentriamino (DT) y 3-aminopropiltrimetoxisilano (AP), en distintas proporciones alcanzando incorporaciones de nitrógeno de 3 y 1,8 %, respectivamente. Este material funcionalizado combina los mecanismos quimisorción de CO2 en los grupos amino anclados a la superficie de los mesoporos, y fisisorción en los microporos zeolíticos. El resultado es un aumento en la capacidad de adsorción a bajas presiones respecto del material sin funcionalizar (29 mg CO2/g muestra frente a 10,7 mg CO2/g muestra a 0,15 bar). Se han comprobado materiales zeolíticos con diferente estructura y composición química (ZSM-5, TS-1, ZSM-11 y Al-BETA) en la adsorción de CO2 puro. Los ensayos se han realizado tanto con muestras preparadas por métodos convencionales como en muestras con porosidad jerarquizada sintetizadas por el método de silanización de núcleos cristalinos. El uso de muestras de porosidad jerarquizada no mejora la capacidad de adsorción de los materiales de referencia, siendo la zeolita Al-BETA la que mayor capacidad presenta.