Materiales mesoporosos funcionalizados con grupos amino altamente selectivos para la captura de co2

Abstract

El incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero debido a la quema de combustibles de origen fósil, se ha convertido en un grave problema medioambiental. En la actualidad existe un gran interés en reducir las emisiones de dióxido de carbono de fuentes fijas de emisión, tales como plantas termoeléctricas de carbón. 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 algunos inconvenientes como la cantidad de energía necesaria para la regeneración del disolvente, así como los problemas de corrosión y la imposibilidad de trabajar a temperaturas elevadas. Por este motivo, se ha planteado el empleo de sólidos adsorbentes para la captura de CO2. Los materiales mesoestructurados silíceos pueden ser adsorbentes debido a que presentan poros uniformes y ordenados, además de una elevada superficie específica. Por otra parte, estos materiales presentan una elevada estabilidad tanto térmica como hidrotérmica. Para emplearlos como adsorbentes de CO2 dichos materiales deben modificarse con moléculas orgánicas que contengan grupos amino en su estructura y que actúan como sitios activos de adsorción de CO2. Existen varios métodos para llevar a cabo la funcionalización de los soportes anteriormente mencionados, como son el anclaje, la co-condensación y la impregnación. La principal ventaja que proporciona el método del anclaje químico es la estabilidad del adsorbente preparado debido al enlace covalente que se produce entre los grupos silanol superficiales del soporte y el compuesto aminosilano elegido. Sin embargo, debido a la reacción que se lleva a cabo el número de moléculas que pueden ser usadas en el proceso de funcionalización disminuye considerablemente. Por otra parte, el método de funcionalización mediante impregnación permite la incorporación de un gran número de compuestos orgánicos aminados en los soportes debido a que las fuerzas que median el proceso son más débiles y genéricas (fuerzas de Van der Waals). En la presente investigación se ha llevado a cabo la preparación de materiales mesoporosos funcionalizados con compuestos orgánicos aminados para su utilización como adsorbentes selectivos de dióxido de carbono. Los materiales seleccionados han sido los materiales silíceos del tipo SBA-15 y HMS que, al presentar elevadas superficies específicas, permiten la incorporación de un gran número de centros de adsorción en las paredes porosas. Además se ha usado un soporte comercial, como el material gel de sílice, con el objetivo de comparar los resultados obtenidos. Así, se ha llevado a cabo la funcionalización de los soportes mesoporosos silíceos tipo SBA-15, HMS y Gel de sílice mediante anclaje químico con el compuesto orgánico N-[3- (trimetoxisilil) propil] dietilentriamino (DT), con el objetivo de estudiar el efecto de las propiedades texturales en la capacidad de adsorción de los materiales preparados, así como las variables más importantes que intervienen en el proceso. En el caso del material HMS, se utilizaron diversos procedimientos de eliminación del surfactante. En general, todos los materiales funcionalizados por anclaje con DT incorporan cantidades de nitrógeno cercanas al 7 % en peso y reproducen la estructura mesoscópica del soporte silíceo de partida. No obstante, en todos los casos se aprecian descensos muy significativos de las propiedades texturales. Se ha podido comprobar que el material con mayor capacidad de adsorción ha sido el HMS calcinado para eliminar el surfactante, con un valor de 72 mg CO2 por g de adsorbente a 1 atm de presión, siendo este el material con menor tamaño de poro de los estudiados. Por otra parte se han estudiado variables como densidad de anclaje y cantidad de nitrógeno introducido, comprobando que esta última variable es la que mayor efecto presenta sobre la capacidad de adsorción. Además, se ha llevado a cabo la impregnación en disolución del material SBA-15, con diferentes moléculas orgánicas aminadas, para estudiar las variables que pueden intervenir en el proceso de adsorción, tales como el tipo de grupo amino, o la estructura química de los compuestos usados. El adsorbente preparado mediante este método con mayor capacidad de adsorción ha sido el material SBA-15 impregnado con piperazina, con un valor de 66,4 mg de CO2 por g de adsorbente a 1 atm de presión. Sin embargo, al someter a dicho adsorbente a ciclos de adsorción-regeneración, la capacidad de adsorción disminuyó debido probablemente a la evaporación de la piperazina. Por último, a partir de los soportes SBA-15, HMS y gel de sílice, se llevó a cabo la impregnación con diferentes cantidades de un polímero orgánico ramificado, denominado polietilenimina (PEI), que contiene un gran número de grupos amino, y por lo tanto, gran cantidad de centros de adsorción. En este caso, el adsorbente preparado que presentó mayor capacidad de adsorción de CO2 fue el HMS impregnado con PEI al 70%, con un valor de 89 mg de CO2 por g de adsorbente. Sin embargo, si se estudia la capacidad de adsorción de CO2 por g de PEI incorporado, se observa que las mayores capacidades de adsorción se obtienen en torno a un 30% de carga de PEI. El parámetro que se ha observado como el más importante en el estudio de la capacidad de adsorción ha sido el volumen de poro. Este tipo de materiales se pueden considerar una buena alternativa a los adsorbentes preparados mediante anclaje químico debido a la buena reproducibilidad en la capacidad de adsorción obtenida tras varios ciclos adsorción-regeneración.