Modificación post-síntesis de materiales tipo MOF mediante incorporación de moléculas de alto contenido de grupos amino para la adsorción selectiva de CO2

Abstract

Desde la Revolución Industrial se ha producido un aumento significativo en el consumo energético global, siendo los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) la fuente de energía primaria mayoritaria. Las predicciones indican que el consumo de combustibles fósiles a nivel mundial seguirá aumentando durante los próximos años. Este aprovechamiento energético de los combustibles fósiles tiene el inconveniente de generar emisiones contaminantes, siendo las gaseosas las que mayor preocupación originan debido a que generan dióxido de carbono (CO2). Este gas de efecto invernadero es el más importante no por su efecto específico, que es relativamente bajo, sino por la gran cantidad en la que se emite. Desde la Revolución Industrial y, principalmente, como consecuencia del consumo de combustibles fósiles, se ha registrado un incremento significativo de su concentración atmosférica. Paralelamente, también se ha registrado un cambio en el sistema climático mundial. Aunque no hay un consenso general sobre si el origen de este cambio climático es natural o antropogénico, las estimaciones indican que la influencia de las actividades humanas (emisiones de CO2 antropogénicas) en el clima ha sido mucho mayor que la de los procesos naturales. Ante esta problemática, se viene realizando un enorme esfuerzo en investigación para encontrar soluciones a este cambio climático, como la captura y secuestro de dióxido de carbono. Las tecnologías de captura de CO2 se pueden clasificar en tres tipos: captura previa a la combustión (precombustión), durante la combustión (oxicombustión) y posterior a la combustión (postcombustión). De estas tres tecnologías, la postcombustión es la que presenta el mayor potencial a corto plazo para la captura de CO2. Dentro de los procesos de captura posterior a la combustión destacan los procesos de absorción y adsorción. Aunque las tecnologías de absorción han tenido mayor grado de implantación a nivel industrial, presentan algunos inconvenientes, entre los que destaca el elevado coste de regeneración, que hacen que se sigan estudiando los procesos de adsorción. Entre los adsorbentes que se vienen desarrollando se encuentran las zeolitas y carbones activos, que presentan buenas capacidades de adsorción a bajas temperaturas y altas presiones, pero su capacidad de adsorción decae significativamente a las condiciones de salida de los gases de chimenea de las centrales térmicas convencionales (bajas presiones y temperaturas mayores a los 45 ºC). Otros materiales como las hidrotalcitas, sólo permiten trabajar a temperaturas muy superiores a las requeridas. Un tipo de material desarrollado recientemente, los materiales metalorgánicos tipo MOF, presentan buenas propiedades físicas de cara a su utilización en la adsorción de CO2. Además, los materiales tipo MOF permiten incorporar grupos funcionales, como por ejemplo grupos amino, susceptibles de reaccionar con el CO2, lo que puede incrementar su capacidad de adsorción. Por tanto, estos materiales son una opción prometedora para llevar a cabo la captura de CO2. En este sentido, en el presente trabajo se han preparado materiales tipo MOF activos en la adsorción de CO2. Para ello, en primer lugar se llevó a cabo la síntesis de los materiales IRMOF-3 y UMCM-1-NH2. Estos materiales cuentan con grupos amino en su estructura, capaces de reaccionar con el CO2. En segundo lugar, se llevó a cabo la funcionalización de estos materiales con el objetivo de aumentar el contenido en grupos amino. Esta funcionalización se realizó mediante una técnica de modificación postsíntesis (PSM). Esta técnica presenta una serie de ventajas frente a la modificación previa a la síntesis, como la ausencia de impedimentos a la formación de la estructura provocados por los grupos funcionales incorporados o la posibilidad de incorporar varios grupos funcionales a la misma estructura. Así pues, la modificación postsíntesis de los materiales se llevó a cabo mediante dos métodos, una impregnación con los compuestos tetraetilenpentamina (TEPA) y polietilenimina (PEI), y un anclaje de TEPA mediante una reacción química en dos etapas conocida como método ¿tándem¿. Los materiales IRMOF-3 y UMCM-1-NH2 sintetizados presentan unas propiedades similares a las descritas en bibliografía. El material IRMOF-3 presenta un mayor contenido en nitrógeno (4,88%) que el UMCM-1-NH2 (1,25%). Sin embargo, los resultados indican que los grupos aminos del IRMOF-3 son menos activos para la quimisorción, presentando menores capacidades de adsorción a bajas presiones y menores ciclos de histéresis. En cuanto a las impregnaciones, los materiales modificados muestran una mayor capacidad de adsorción a bajas presiones y un incremento en el ciclo de histéresis, lo que indica que se favorece la quimisorción. Sin embargo, el incremento en quimisorción no se corresponde con el aumento en contenido en nitrógeno, lo que puede deberse al bloqueo de los poros que impidan que gran parte de los grupos amino sean accesibles al CO2. Por otra parte, los materiales impregnados con PEI presentan una menor capacidad de adsorción que los impregnados con TEPA, como consecuencia del mayor volumen de la molécula de PEI que dificulta su difusión al interior de los poros, bloqueándolos. En cuanto al anclaje químico, las caracterizaciones realizadas al material resultante del proceso de anclaje de GT y TEPA parecen indicar que la segunda etapa de la reacción no llegó a producirse, teniendo lugar únicamente el anclaje de glutaraldehído a la estructura del material. La adsorción de CO2 a 5 bar y 298 K que exhibe el producto del anclaje químico es la mayor de todos los materiales preparados (145,66 mg CO2/g).