ES2294228T3

ES2294228T3 - Contactadores de paso paralelo con material laminar adsorbente.

Info

Publication number: ES2294228T3
Application number: ES03018329T
Authority: ES
Inventors: Stephen Mosheim Jaffe; Christian Ion Contescu
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2008-04-01
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: EP1413348A1; DE60317994D1; US7077891B2; EP1413348B1; DE60317994T2; ATE380576T1; US20040118287A1; CA2437054A1; CA2437054C

Abstract

Contactor de paso paralelo de un proceso de adsorción por cambio de presión, que comprende un material adsorbente, que contiene materiales en partículas adsorbentes y un aglutinante polimérico, fabricado en una lámina sin refuerzos, autosustentante, flexible y coherente, en la que el material en partículas adsorbente comprende partículas de un primer grupo, bien de forma única o bien mezcladas con partículas de un segundo grupo, incluyendo dichas partículas del primer grupo nanopartículas de carbono, nanopartículas de óxidos inorgánicos y nanopartículas cerámicas, y tienen tamaños de partícula dentro del intervalo de 10 a 200 nm, y dicho material en partículas adsorbente es diferente de dicho aglutinante polimérico.

Description

Contactores de paso paralelo con material laminar adsorbente.

Antecedentes de la invención Sector de la invención

La presente invención da a conocer un contactor de paso paralelo que comprende un material adsorbente fabricado en una lámina coherente autosustentante.

Técnica anterior

Entre los dispositivos tradicionales de transferencia de masa para el proceso de adsorción se incluyen monolitos (por ejemplo, panales de abeja), paños (por ejemplo, paños de fibra de carbón activo) y lechos compactos de partículas adsorbentes. El lecho compacto es barato y versátil, pero absolutamente ineficaz en funcionamiento a regímenes de caudal elevados, debido a los altos costes asociados a la gran pérdida de carga interna. Cálculos de Ruthven y Thaeron (en Gas. Sept. Purif. Volumen 10, (1996) pág. 63) han demostrado que, en la configuración del lecho compacto, se podría alcanzar una mejora significativa en las características de la transferencia de masa/pérdida de carga con contactores de paso paralelo. Éstos son dispositivos de transferencia de masa en los que el gas pasa en flujo laminar a través de canales rectos entre las láminas paralelas equidistantes de adsorbente. La transferencia rápida de masa permite completar ciclos rápidos y dispositivos más pequeños. Una aplicación de los contactores de paso paralelo es la Adsorción por Cambio de Presión (PSA).

La PSA ha adquirido interés para aplicaciones de separación de gas de pequeña escala, debido a su potencial por el alto rendimiento de separación (pureza y recuperación de producto) en comparación con otras tecnologías de separación de gas. Dependiendo del mecanismo real, las separaciones por PSA se podrían clasificar como controladas por equilibrio o cinéticamente (difusión). Un ejemplo de la primera categoría es la separación de aire de la zeolita de 5 \ring{A} en corrientes casi puras de nitrógeno y de oxígeno, basada en diferencias en las isotermas de adsorción de equilibrio entre el nitrógeno y el oxígeno. Un ejemplo del segundo grupo es la misma separación realizada con la zeolita de 4 \ring{A}, en la que el mecanismo se basa en las diferencias de las velocidades de difusión entre el nitrógeno y el oxígeno, que tienen diferentes diámetros cinéticos efectivos (3,46 \ring{A} y 3,64 \ring{A}, respectivamente). Mientras que la separación por PSA basada en el equilibrio se ha establecido teóricamente relativamente bien y ya se comercializa para algunas aplicaciones, la PSA inducida por difusión necesita todavía de desarrollo teórico y no se ha comercializado de modo completo. El lector puede recurrir a varias publicaciones recientes, por ejemplo, Shin y Knaebel, en el AlChE Journal, volumen 33, pág. 654 (1987), y volumen 34, pág. 1409 (1988); Chung y otros, en "Computers Chem. Engn." Volumen 22, Suplemento, pág. S637 (1998); y la monografía "Adsorción por Cambio de Presión" de Ruthven, Farooq y Knaebel, VCH Publisher, 1994.

Otra forma de optimización de la PSA, en términos de aumento de productividad del adsorbente a parámetros de recuperación y pureza de producto iguales, es mediante la reducción del tiempo de ciclo. El aumento de productividad del adsorbente da como resultado la reducción del coste y del espacio ocupado por los lechos de PSA. En los casos en los que la difusión dentro de la partícula limita la velocidad de transferencia de masa en la PSA, una forma de acortar el tiempo del ciclo es utilizar un adsorbente con tamaños de partícula muy pequeños. Esto se demostró en primer lugar en la patente USA No. 4.192.892, en la que se utilizaron partículas de adsorbente relativamente pequeñas en una configuración de lecho compacto, con tiempos de ciclo menores de 30 segundos, con una recuperación sustancialmente más elevada de producto que en la técnica anterior. La patente USA No. 4.354.858 demostró un aumento adicional en la productividad ejecutando el ciclo de PSA rápido con dos pistones de funcionamiento desfasado en los extremos de la columna de adsorción.

Sin embargo, la eficacia de separación de gas en la PSA de ciclo rápido, tal como se ha descrito en las patentes USA Nos. 4.192.892 y 4.354.858, está limitada por la pérdida de carga en la columna de lecho compactado aleatoriamente. Para evitar esto, Farooq, Thaeron y Ruthven (Sept. Pur. Tech., vol. 13 (1998) pág. 181-193) sugirieron combinar la PSA de ciclo rápido operada por pistón con los contactores de paso paralelo, proporcionando de este modo una solución económica a las tecnologías de separación más antiguas, tales como el secado de aire, separación de aire, y eliminación de VOC. En base a modelos de simulación numéricos desarrollados por Ruthven y Thaeron (Gas Sept. Purif. volumen 10 (1996) 63-73), por ejemplo, un contactor de paso paralelo con un grosor de lámina de 500 a 800 \mum, aproximadamente, y un espaciado entre láminas de 100 \mum, aproximadamente, debería adaptarse bien a los procesos de adsorción de ciclo rápido para la separación de CO_{2}/N_{2}. El adsorbente descrito por Ruthven y Thaeron era una lámina de fibras de carbón activo (ACF) con diámetros de fibra de 10 - 15 \mum. Para esta longitud característica de adsorbente, la frecuencia óptima del ciclo era de 10 - 20 rpm, estando la velocidad limitada por la difusión entre las partículas y entre los macroporos. Sin embargo, a aquellos que intentaron utilizar el adsorbente de fibras de carbono en forma tejida o no tejida en sistemas de PSA de ciclo rápido, se les hizo evidente que una gran desventaja de estos materiales era que no son estables dimensionalmente.

En principio, el aumento adicional en la frecuencia del ciclo y, de este modo, la mejora del rendimiento del proceso de separación, es posible utilizando partículas de adsorbente incluso más pequeñas (de un tamaño de 10 \mum aproximadamente). Entre los problemas con las partículas pequeñas en los lechos compactos sometidos a las elevadas velocidades de flujo se incluyen la rotura de las partículas, el desgaste de las partículas del lecho, y la fluidificación de la partícula. La patente USA No. 6.176.897 muestra un sistema de adsorción por cambio de presión a elevada frecuencia, en el cual los lechos granulares de adsorbente se sustituyen por un monolito de adsorbente de elevada área superficial o un soporte en capas, con elementos adsorbentes formados por materiales laminares en capas o laminados utilizando refuerzos fibrosos (tales como fibras de vidrio, carbón o de kevlar) que soportan a materiales compuestos cargados con zeolitas en láminas adsorbentes. Sin embargo, la disponibilidad de materiales que se podrían utilizar con éxito para la fabricación de tales estructuras adsorbentes es limitada. Además, la utilización de materiales de refuerzo limita la capacidad de adsorción por volumen del lecho de adsorción, debido a que una fracción relativamente grande del vo-
lumen de lecho de adsorbente, asociada a las estas estructuras de refuerzo, de hecho no se utiliza para la adsorción.

Se ha demostrado que las partículas adsorbentes inorgánicas con tamaños dentro del intervalo de los diez a los centenares de nanómetros (también denominadas nanopartículas adsorbentes) tienen una adsorción y una reactividad química superficial aumentadas, debido a la proporción muy elevada de átomos superficiales a átomos totales. Para más información, se hace referencia al lector del libro recientemente publicado "Materiales de Escala Nanométrica en Química" ("Nanoscale Materials in Chemistry") de Klabunde (Wiley, 2001). Sin embargo, hasta el momento, la integración de nanopartículas adsorbentes en materiales de sorción utilizables ha supuesto un desafío. Se estiman necesarios medios eficientes para enlazar, estabilizar o incorporar partículas de adsorbente con tamaños dentro del intervalo nanométrico en estructuras que se puedan utilizar para la adsorción y las aplicaciones de separación.

Recientemente, se han descrito en la bibliografía de patentes materiales de sorción basados en una matriz de politetrafluoroetileno (PTFE). Las patentes USA Nos. 4.810.381 y 4.906.378 describen un material de sorción cromatográfico compuesto por una matriz de fibrillas de PTFE y partículas no hinchables de adsorbente entrelazadas en la matriz. Las patentes USA Nos. 4.153.661 y 5.071.610 dan a conocer métodos de fabricación y aplicaciones de materiales laminares compuestos de partículas adsorbentes finas, no hinchables, soportadas por una matriz de polímero fibroso, y métodos para el control de la porosidad interna. La lámina resultante es extremadamente flexible y se describe como útil como aislante electrónico o membrana semipermeable. La patente USA No. 4.373.519 da a conocer un apósito compuesto enrollado que comprende partículas absorbentes hidrofílicas entrelazadas en una matriz de PTFE. Las patentes USA Nos. 4.565.663 y 4.460.642 dan a conocer láminas de material compuesto hinchables con agua, que tienen una matriz de PTFE en la cual están entrelazadas las partículas hidrofílicas de sorción hinchables. Sin embargo, no se han dado a conocer materiales de sorción obtenidos entrelazando sorbentes en partículas, en una matriz de fibras de PTFE con especificidad para su utilización como un contactor de paso paralelo.

Además, las membranas porosas autosustentantes obtenidas por compactación de partículas de carbono de tamaño micrométrico y PTFE en fibrillas se pueden utilizar como electrodos porosos en aplicaciones electroquímicas. La patente USA No. 4.585.711 muestra un electrodo de hidrógeno para una célula de combustible obtenida por compactación con rodillo de PTFE granular y partículas de negro carbón recubiertas de platino. La patente USA No. 4.379.772 da a conocer un método para formar un electrodo de capa activa para células de combustible, en las que los gránulos de carbón activo se mezclan con el PTFE en fibrillas y se enrollan en forma de una lámina autosustentante y coherente. La patente USA No. 4.468.362 da a conocer un método para preparar una capa protectora de electrodo autosustentante, con conductividad eléctrica excelente, mediante la dispersión de partículas de PTFE y partículas de negro carbón finamente divididas (50 a 3000 \ring{A}). La patente USA No. 4.500.647 da a conocer la preparación de electrodos de matriz de tres capas para células de combustible u otras aplicaciones electroquímicas, en las que las partículas de carbono activas están presentes dentro de un material de negro carbón no sinterizado y PTFE en fibrillas. La patente USA No. 5.636.437 da a conocer un método de fabricación de electrodos porosos sólidos de carbono a partir de varios polvos de carbono y aglutinantes de resina termoestable. Estas láminas no reforzadas y autosustentantes no se han especificado para su utilización como contactor de paso paralelo. La técnica anterior se limita a paños adsorbentes o a láminas reforzadas para aplicaciones de paso paralelo.

Breve resumen de la invención

La presente invención da a conocer un contactor de paso paralelo que comprende un material adsorbente, según la reivindicación 1. El material adsorbente se obtiene entrelazando materiales en partículas adsorbentes finas, entre los que se incluyen, pero no constituyen limitación, partículas de carbono, partículas de óxidos inorgánicos, o partículas cerámicas, o resinas de polímero sintéticas. Para los propósitos de la presente invención, la longitud característica de estas partículas está dentro del intervalo de 0,01 \mum a 100 \mum. El material laminar es un material compuesto de elevada relación de superficie a volumen, caracterizado por una proporción de área superficial de lámina a volumen de lámina total dentro del intervalo de 200 a 2500 m^{2}/cm^{3} y la proporción de volumen de microporos de la lámina a volumen total de lámina está dentro del intervalo de 0,1 a 0,9. Para su utilización como contactor de paso paralelo, el material laminar se configura en forma de capas paralelas planas con espacios de separación o intersticios entre láminas adyacentes, o se ondula, o se graba en relieve, o se enrolla en espiral, o está en cualquier otra forma que permita que el gas fluya paralelo a la superficie de la lámina. El material configurado como contactor de paso paralelo se puede utilizar en muchas aplicaciones de separación de gas, o aplicaciones líquidas, en las que son esenciales la rápida adsorción, la baja pérdida de carga, y la resistencia mínima a la transferencia de masa, tales como en la adsorción por cambio de presión de ciclo rápido. Entre los ejemplos de aplicaciones preferentes de los dispositivos de contactor de paso paralelo, fabricados con el material dado a conocer en la presente invención, se incluyen, pero no constituyen limitación, la purificación de hidrógeno y la separación de aire por adsorción por cambio de presión de ciclo rápido, la desecación de aire y la reducción de VOC por tecnología de rueda rotatoria de HVAC, la captura rápida de gas y
liberación controlada para vehículos alimentados con gas natural adsorbido o para propósitos de muestreo analítico.

Objetivo y ventajas

Cuando se construyen los elementos del contactor de paso paralelo, éstos deben combinar láminas finas de adsorbente de elevada capacidad volumétrica de microporos con un separador poroso, de baja pérdida de carga (o sin ningún separador). El primer requisito se introduce por la necesidad de maximizar la capacidad de adsorción de la lámina de adsorbente; el segundo asegura que se esté obteniendo un dispositivo con baja pérdida de carga. Para la aplicación de PSA de ciclo rápido, la difusión dentro de la partícula se debe reducir al mínimo, lo que se puede llevar a cabo utilizando partículas de adsorbente muy pequeñas, preferentemente de un tamaño por debajo de la micra. En base a todas estas consideraciones, se estiman como altamente necesarios medios para fabricar las láminas delgadas de materiales adsorbentes, que sostienen materiales en partículas adsorbentes muy pequeñas, para mejorar adicionalmente la eficiencia de los sistemas de PSA con tecnología de ciclo rápido. Los cálculos demostraron que para ser útil, la lámina de adsorbente debe tener un grosor de lámina menor de 0,8 milímetros, aproximadamente, una fracción de volumen de espacio vacío de 0,3 a 0,9, aproximadamente, tamaños de partícula menores de 0,7 \mum, aproximadamente, y un coeficiente lineal de fuerza motriz de transferencia de masa mayor de 1 s^{-1}, aproximadamente. El contactor debe soportar el flujo de velocidad elevada, asociado al PSA de ciclo rápido, en condiciones en las que los polvos granulizados fluidifican y sufren desgaste, y las prendas tejidas no tienen suficiente estabilidad o integridad estructural.

Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención el dar a conocer un contactor de paso paralelo con un material adsorbente, que inmoviliza e incorpora una gran cantidad material en partículas adsorbentes finas, con dimensiones características dentro del intervalo nanométrico o micrométrico que, de otra manera, son demasiado pequeñas para utilizarse solas en aplicaciones de adsorción.

El material adsorbente mantiene gran parte de las características adsorbentes de las partículas adsorbentes iniciales, de modo que se puede aprovechar de forma completa la elevada reactividad y las velocidades de adsorción o reacción rápidas asociadas con partículas adsorbentes pequeñas dentro del intervalo nanométrico o micrométrico.

El material adsorbente se configura como una capa de lámina o membrana delgada sin refuerzos, autosustentante y flexible.

El material adsorbente de lámina delgada sin refuerzos anteriormente mencionado se utiliza como elemento de contactores de paso paralelo para aplicaciones de adsorción o de separación en fase gaseosa o líquida.

En la presente solicitud, "refuerzo" significa una estructura esencialmente autónoma y dimensionable, que añade integridad y estabilidad mecánica a un objeto fabricado, que no tiene necesariamente características de adsorción, y en la que se pueden soportar una variedad de materiales adsorbentes en partículas con los aglutinantes apropiados.

En la presente solicitud, el "aglutinante" significa un componente que, en los casos en los que se adiciona en una pequeña cantidad a un objeto fabricado, proporciona integridad estructural pegando entre sí una gran cantidad de partículas componentes, pero que no posee integridad estructural por sí mismo, por ejemplo, sin la presencia de una gran cantidad de partículas.

En la presente solicitud, "autosustentante" significa que no es necesario un soporte de apoyo rígido para el objeto fabricado.

En la presente solicitud, "partículas" o "material en partículas" significan formas sólidas (que no incluyen el PTFE) con un diámetro de 0,010 \mum, aproximadamente, a 100 \mum, aproximadamente.

Una ventaja de la presente invención sobre la técnica anterior consiste en la inmovilización efectiva de material en partículas adsorbentes nanométricas, generalmente a partir de 10 nm, aproximadamente, para una utilización más eficiente en aplicaciones de adsorción y de separación. Además, la presente invención muestra la fabricación de un material adsorbente sin refuerzos, autosustentante, coherente, y estable dimensionalmente que se puede configurar como elemento de un contactor de paso paralelo. Una ventaja obvia de este material, que deriva de la ausencia de cualquier refuerzo estructural, es que su volumen aparente está esencialmente relleno de partículas adsorbentes, maximizándose de este modo la capacidad de adsorción por volumen de lámina del adsorbente. Además, los contactores de paso paralelo hechos de dicho material, cuando se utilizan en aplicaciones de adsorción o de separación, combinan buenas características de transferencia de materia entre fases con una baja pérdida de carga. Otra ventaja de la presente invención deriva del hecho de que dicho material adsorbente se puede obtener como una lámina fina y flexible, que lo hace utilizable en muchas formas, tales como láminas paralelas, láminas onduladas, láminas grabadas con relieve, enrolladas en espiral o en una configuración de panal de abeja, como elementos de un contactor de paso paralelo. Además, una ventaja más distintiva de la presente invención es que proporciona medios para utilizar material en partículas adsorbentes pequeñas, de tamaños dentro del intervalo nanométrico o micrométrico, en un material autónomo, sin refuerzos, estable dimensionalmente que es conveniente para la fabricación de contactores de paso paralelo para utilizarse en la adsorción por cambio de presión de ciclos rápidos.

Otros objetivos y ventajas de la presente invención resultarán evidentes de la consideración de la siguiente descripción completa de las realizaciones.

Figuras

La figura 1 es una fotografía de microscopio electrónico de barrido del material adsorbente laminar obtenido según el proceso resumido en el ejemplo 1. Las nanopartículas de carbono primarias menores de 20 nm están distribuidas y entrelazadas de forma aleatoria entre las fibrillas de polímero (no observadas en la figura). La longitud de la barra de escala es de 100 nm.

La figura 2 es otra fotografía de microscopio electrónico de barrido de los materiales adsorbentes laminares obtenidos según el proceso resumido en el ejemplo 1. Muestra que las nanopartículas de carbono forman una estructura abierta, con muy pocos enlaces y puntos de contacto con las fibrillas de polímero. Se observa también una fibrilla de polímero aglutinante de, aproximadamente, 1000 nm de longitud y menos de 40 nm de diámetro. La longitud de la barra de escala es de 200 nm.

La figura 3 es una fotografía de microscopio electrónico de barrido del material adsorbente laminar obtenido según el proceso resumido en el ejemplo 2. Muestra una mezcla de partículas de carbón activo de varios tamaños, formando una estructura abierta sin refuerzos, unida entre sí por fibrillas de polímero (no observadas en la figura). La longitud de la barra de escala es de 2 \mum.

La figura 4 es un diagrama esquemático que muestra un elemento contactor de paso paralelo configurado como una gran cantidad de láminas adsorbentes planas (1) en una disposición paralela. La entrada de aire (2) y la salida de aire (3) se disponen de forma que la dirección del flujo de aire es paralela a la superficie de las láminas planas.

La figura 5 es un diagrama esquemático que muestra un elemento contactor de paso paralelo configurado como una estructura espiral hecha de una lámina adsorbente (1). La entrada de aire (2) y la salida de aire (3) se disponen de modo que la dirección del flujo de aire es paralela a la superficie de la lámina del adsorbente.

La figura 6 es un diagrama esquemático que muestra un elemento contactor de paso paralelo configurado como una estructura en panal de abeja, que comprende láminas planas (1) y láminas onduladas (2) alternas. La entrada de aire (3) y la salida de aire (4) se disponen de modo que la dirección del flujo de aire es paralela a la superficie de las láminas onduladas y las planas.

La figura 7 compara resultados de ruptura ("breakthrough") de CO_{2} de un lecho compacto de carbono granular de 1 mm y de un elemento contactor de paso paralelo hecho de una lámina de carbono adsorbente fabricada según el ejemplo 2, y configurada como una estructura en espiral según el ejemplo 7.

La figura 8 muestra datos termogravimétricos en polvo de zeolita Na-X de partida y dos muestras de polvo de zeolita procesadas en forma de lámina, según el proceso resumido en el ejemplo 10. Ésta muestra que los dominios de estabilidad térmica para las muestras de la lámina de la zeolita están entre 300 y 400ºC.

La figura 9 muestra resultados al secarse a 350ºC seguido de ciclos de adsorción/desorción de N_{2} a 45ºC, de polvo de zeolita Na-X de partida.

La figura 10 muestra resultados de la zeolita procesada en forma de lámina, según el proceso resumido en el ejemplo 11, al secarse a 350ºC, seguido de ciclos de adsorción/desorción de N_{2} a 45ºC.

La figura 11 muestra resultados de la zeolita procesada en forma de lámina según el proceso resumido en el ejemplo 11, al secarse a 350ºC seguido de ciclos de adsorción/desorción de N_{2} a 45ºC.

\vskip1.000000\baselineskip

Descripción detallada de la invención

Mediante la utilización de un proceso tal como el que se da a conocer en las patentes USA Nos. 4.153.661 y 5.071.610, se obtiene un material laminar que contiene un primer tipo de material en partículas adsorbentes, o bien de forma única o bien mezclados con un segundo tipo de material en partículas adsorbentes, o únicamente el segundo tipo de material en partículas adsorbentes, y un aglutinante polimérico.

Dentro del primer tipo de material en partículas adsorbentes se incluyen, pero no constituyen limitación, nanopartículas de carbono y nanopartículas de óxidos inorgánicos, y se caracterizan por tamaños de partícula de 10, aproximadamente, a 200 nm, aproximadamente. Entre los ejemplos de nanopartículas de carbono se incluyen, pero no constituyen limitación, partículas de negro carbón y nanotubos de carbono de pared múltiple. Entre los ejemplos de nanopartículas de óxidos inorgánicos se incluyen, pero no constituyen limitación, sílice, alúmina, aluminosilicatos (por ejemplo, zeolitas), magnesia, circonia, óxido de titanio, óxido de cerio.

El segundo tipo de partículas adsorbentes está constituido por carbón activo, óxidos inorgánicos, materiales cerámicos, o resinas poliméricas sintéticas con tamaños de partícula dentro del intervalo de 0,2, aproximadamente, a 100 \mum, aproximadamente.

Generalmente, los materiales en partículas adsorbentes del primer y segundo grupos se caracterizan por características adsorbentes que los hacen convenientes para su utilización como adsorbentes en el contactor de paso paralelo, después de su incorporación en forma de lámina. Aunque la naturaleza de estos materiales en partículas adsorbentes puede variar dentro de límites bastante grandes, se espera que las características adsorbentes se correlacionen con su área superficial específica y volumen de microporos, según se miden por adsorción de nitrógeno. Los límites aceptables para el área superficial específica están entre 200 y 2500 m^{2}/g y los límites aceptables para el volumen de microporos están entre 0,2 y 1 cm^{3}/g. Para aplicaciones prácticas en las que el tamaño del dispositivo o el volumen del dispositivo se deben reducir al mínimo, una medida más conveniente de las características adsorbentes se basa en el volumen aparente o másico de adsorbente, que puede contener el volumen de trabajo del dispositivo de adsorción. De este modo, cuando la densidad aparente de los materiales laminares obtenidos se tiene en cuenta correctamente, la capacidad de adsorción se podría expresar también tal como el área superficial BET total o el volumen total de microporos de material adsorbente por el volumen unidad aparente de material adsorbente. El intervalo correspondiente para la proporción de área superficial de la lámina al volumen total de la lámina es de 200 a 2500 m^{2}/cm^{3} y el intervalo para la proporción de volumen de microporos de la lámina al volumen total de la lámina es de 0,1 a 0,9.

Entre los ejemplos de aglutinantes poliméricos se incluyen, pero no constituyen limitación, polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno (PTFE), poliamida, acetato de celulosa, difluoruro de polivinilo (PVDF) o cualquier otro polímero natural o sintético que sea capaz de suspender otras partículas de forma aleatoria.

La proporción óptima de partículas adsorbentes a fibrillas poliméricas de aglutinante se puede variar, pero generalmente se debe mantener el intervalo del 98:2 al 60:40 en peso. En estas condiciones, la lámina de material compuesto se obtiene con una porosidad dentro del intervalo de volumen de espacio vacío del 30 al 95%, y con tamaño de poro medio dentro del intervalo de 0,002 a 2 \mum. Se pueden adicionar formadores de poro fugitivos, tales como sales, o exceso de disolventes, o polímeros para aumentar el tamaño de poro y la porosidad.

El material laminar obtenido se puede formar con espesor de lámina dentro del intervalo de 50 a 1000 \mum pero, a los propósitos de la presente invención, es conveniente fabricarlo en láminas muy delgadas. Cuando el material en partículas adsorbentes está mayoritariamente en forma de nanopartículas con una proporción grande de área superficial a volumen, es preferente fabricar el material compuesto laminar con un grosor pequeño para aprovechar las características individuales de las nanopartículas.

Una ventaja importante ofrecida por el nanomaterial compuesto de lámina delgada es la capacidad de acceder libremente a las superficies de las partículas y a las interparticulares que, de este modo, se pueden utilizar eficientemente para la adsorción de gas o vapor, el aniquilamiento de agentes patógenos, las reacciones químicas superficiales, o el almacenamiento de energía electroquímica, por nombrar algunas aplicaciones.

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 1

Este ejemplo demuestra que el procesado del material de negro carbón en nanopartículas en forma de lámina no reduce sustancialmente el área superficial y el volumen de mesoporos del material de negro carbón de partida. Según una de las realizaciones preferentes, se obtuvo una lámina de material de negro carbón en nanopartículas que contenía el 85% de negro carbón de horno (tal como Black Pearls 2000, disponibles de Cabot Corporation) y el 15% de PTFE (disponible comercialmente como Teflon 30 o Teflon 601A) mezclando el material de partículas adsorbentes con el PTFE en presencia de agua, seguido de mezcla intensiva para provocar la fibrilación de PTFE, calandrado biaxial para formar la lámina, y secado. Se obtuvo una lámina de carbón con un grosor de 250 \mum. La figura 1 muestra una imagen de SEM (microscopía electrónica de barrido) del material obtenido; son visibles nanopartículas de negro carbón con tamaños dentro del intervalo de 20 - 50 nm. En la figura 2 se observa una fibrilla polimérica de una longitud de 1000 nm, aproximadamente, y 20 nm de diámetro. Las nanopartículas de carbón enlazadas alrededor y entre las fibrillas de polímero forman una estructura abierta, esencialmente sin refuerzos. El negro carbón utilizado en este ejemplo tenía un área superficial de 1500 m^{2}/g, y un volumen de poros total de 1,65 cm^{3}/g distribuidos principalmente (el 54%) en mesoporos (2-50 nm), véase la tabla 1. La lámina de nanopartículas de negro carbón resultante tuvo un área superficial total de 1200 m^{2}/g y un volumen de poros total de 1,55 cm^{3}/g, del que más del 70% se distribuye en mesoporos, (véase la tabla 1). El área superficial BET se calculó a partir de los datos de adsorción de nitrógeno a la temperatura del nitrógeno líquido, y la distribución de volumen de poros se calculó utilizando el método DFT (tal como el desarrollado por Micromeritics) y los datos de adsorción de nitrógeno. Mientras que los tamaños medios de partícula de negro carbón de partida eran de 12 - 15 nm, aproximadamente, se estima que existen tamaños de poro mayores de 50 - 100 nm en la lámina de carbón obtenida, como poros entre los filamentos y las aglomeraciones complejas de partículas (véase la figura 1). El material se examinó para la capacidad de adsorción estática de VOC (véase el ejemplo 3).

TABLA 1 Área superficial y distribución de volumen de poros de los materiales en partículas de partida y de los materiales de carbono procesados en forma de lámina

1

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 2

Este ejemplo demuestra que el procesado de partículas de carbono activadas de elevada área superficial en forma de lámina no reduce sustancialmente el área superficial y el volumen de microporos del material de carbono activo de partida. Según otra realización, se preparó una lámina de carbón que contenía el 80% de partículas de carbón activo (tales como carbono activo MSP20 disponible de Kansai Coke & Chemical Company), el 10% de negro carbón (tal como Black Pearls 2000 disponible de Cabot Corporation) y el 10% de PTFE (disponible comercialmente como Teflon 30 o Teflon 601A), según el proceso del ejemplo 1. Se obtuvo una lámina de carbono con un grosor de 200 \mum. La figura 3 muestra una imagen de SEM (microscopía electrónica de barrido) del material obtenido; las partículas de carbono de varios tamaños y de forma irregular forman una estructura abierta, sin refuerzos. El área superficial BET y la distribución del volumen de poros se calcularon según lo explicado en el ejemplo 1. El carbón activo inicial se caracterizaba por un área superficial BET de 2400 m^{2}/g y un volumen de poros total de 0,88 cm^{3}/g, de los cuales el 88% estaban constituidos por microporos (por debajo de 2 nm), véase la tabla 1. El material laminar de carbón activo resultante se caracterizaba por un área superficial de 1900 m^{2}/g y un volumen de poros total de 0,83 cm^{3}/g, de los cuales el 71% estaban constituidos por microporos (por debajo de 2 nm) y el 15% por mesoporos (2-50 nm), véase la tabla 1. Se examinó la capacidad del material para la adsorción de VOC estática (véase el ejemplo 4) y la capacidad y la cinética de adsorción de CO_{2} (véase el ejemplo 5).

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 3

Este ejemplo demuestra que el procesado del material de negro carbón en forma de lámina no reduce significativamente la capacidad de adsorción estática de VOC del negro carbón de partida. La adsorción estática de compuestos orgánicos volátiles (VOC) se midió en el material de negro carbón de partida (Black Pearls 2000) y en el material laminar derivado de carbón del ejemplo 1. Las muestras (0,3 - 0,5 g) se secaron a 180ºC y se pesaron con precisión en botellas de vidrio cerradas. Las botellas cerradas se colocaron en los desecadores que contenían un vaso de precipitados con algunos mililitros del líquido de VOC (bien tolueno, tetracloruro de carbono, o bien trimetilpentano). Las tapas de los desecadores se cerraron firmemente y se destaparon las botellas. Se dejaron equilibrar las muestras de adsorbente con los respectivos vapores de VOC durante 3 horas a temperatura ambiente. Después de 3 horas, las botellas se cerraron, se sacaron de los desecadores y se pesaron con precisión. La ganancia de peso representa la cantidad de VOC adsorbida más el peso de los vapores saturados atrapados en el interior de las botellas cerradas. A efectos de corregir el peso de los vapores saturados, se sustituyeron las muestras del adsorbente en los desecadores, se destaparon, y las tapas del desecador se abrieron parcialmente al ambiente. Después de una hora más, las botellas se cerraron de nuevo, se sacaron de los desecadores y se pesaron. La ganancia de peso frente al peso inicial de las muestras secas representa la capacidad para la adsorción de VOC estática a la presión de saturación de vapor del VOC respectivo, a temperatura ambiente. Los resultados se muestran en la tabla 2. Se observa que la capacidad estática de VOC de los materiales laminares de carbón derivados de negro carbón está dentro del 80 - 95% de la capacidad de VOC del material de negro carbón de partida.

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 2 Datos de adsorción de VOC estática sobre negro carbón y materiales laminares derivados de negro carbón

2

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 4

Este ejemplo demuestra que el procesado del material en forma de láminas no reduce significativamente la capacidad de adsorción de VOC estática del material de carbón activo. La adsorción estática de los compuestos orgánicos volátiles (VOC) se midió en el material de carbón activo de partida (MSP 20) y en el material laminar derivado del carbón activo del ejemplo 2. El procedimiento fue similar al del ejemplo 3. Los resultados se muestran en la tabla 3. Se observa que la capacidad de VOC estática de los materiales laminares de carbón activo derivados de los materiales de carbón activo está dentro del 85 - 90% de la capacidad de VOC del material de carbón activo de partida.

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

\vskip1.000000\baselineskip

(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 3 Datos de adsorción estática de VOC sobre carbón activo y sobre materiales laminares derivados de carbón activo

3

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 5

Este ejemplo demuestra que el material laminar de carbón activo se caracteriza por una cinética de adsorción más rápida y por una capacidad de adsorción más elevada para la adsorción de CO_{2}, en comparación con el carbón activo granular y las fibras de carbón activo. Se obtuvo un material laminar de carbono tal como se ha mostrado en el ejemplo 2. La adsorción de CO_{2} a temperatura ambiente se midió por el método volumétrico, en el cual la adsorción se controla mediante las variaciones de presión que suceden a introducciones sucesivas de dosis de gas en un volumen cerrado y calibrado. Se probó el material laminar de carbón activo del ejemplo 2 frente a una muestra de carbón activo granular (GAC) de rejilla 12 x 30, obtenida de cáscara de coco (densidad de partida 0,4 g/cm^{3}) y un paño de fibra de carbón activo (ACF) (densidad de partida 0,2 g/cm^{3}). Los resultados se muestran en la tabla 4. Se observa que la lámina de carbón activo obtenida según el ejemplo 2 se caracteriza por una capacidad de adsorción isotérmica para el CO_{2} sustancialmente más elevada, en base al peso y en base al volumen, así como por un coeficiente de transferencia de masa más rápido. La capacidad aumentada, junto con el coeficiente de transferencia de masa más rápido, demuestra la ventaja de utilizar materiales laminares de carbón activo como componentes de contactores de paso paralelo en los sistemas de adsorción por cambio de presión de ciclo rápido. La mejora sobre el GAC y el paño de ACF proviene del fácil acceso del gas a las partículas de carbono de tamaño submicrométrico inmovilizadas en forma de lámina, según el descubrimiento de la presente invención.

TABLA 4 Capacidad isotérmica y constante cinética de adsorción de CO_{2} en la lámina adsorbente de carbón activo y otras formas de carbono adsorbente como referencia

4

Ejemplo 6

Este ejemplo muestra la fabricación de un contactor de paso paralelo con una configuración de láminas planas. Se hace referencia a la figura 4. El material adsorbente obtenido tal como se da a conocer en la presente invención se conformó como una gran cantidad de las láminas planas (1) apiladas con espacios de separación entre las láminas adyacentes, para permitir el flujo de gas paralelo a la superficie de la lámina en la dirección de la entrada de gas (2) a la salida de gas (3). Se utilizó un material separador entre las capas adyacentes de láminas de carbono. En este ejemplo, el separador fue una malla de polipropileno de 230 \mum de grosor.

Ejemplo 7

Este ejemplo muestra la fabricación de un contactor de paso paralelo con la configuración en espiral. Se hace referencia a la figura 5. El material adsorbente obtenido tal como se da a conocer en el ejemplo 2 de la presente invención se conformó como una lámina larga y continua (1) que, a continuación, se enrolló en una espiral con espacios de separación entre las capas adyacentes. Se permitió que el gas fluyera paralelo a la superficie de la lámina en dirección de la entrada de gas (2) a la salida de gas (3). Se utilizó un material separador entre las capas de láminas del carbono adyacentes. En este ejemplo, el separador fue una malla de polipropileno de 230 \mum de grosor. El contactor de paso paralelo se evaluó para la separación de CO_{2} / N_{2} (véase el ejemplo 9).

Ejemplo 8

Este ejemplo muestra la fabricación de un contactor de paso paralelo con configuración de panal de abeja. Se hace referencia a la figura 6. El material adsorbente obtenido tal como se da a conocer en la presente invención se conformó como una gran cantidad de láminas onduladas (1) y de láminas planas (2). Se ensamblaron una gran cantidad de láminas onduladas y planas alternas, según las indicaciones de la figura 6. Se permitió que el gas fluyera paralelo a la superficie de la lámina en dirección de la entrada de gas (3) a la salida de gas (4).

Ejemplo 9

Este ejemplo demuestra el rendimiento de los materiales adsorbentes fabricados según los métodos dados a conocer en los ejemplos 1 y 2, cuando se ensamblan como contactores de paso paralelo. Se seleccionaron varios polvos de carbón activo (tales como MSP 20 de Kansai Coke & Chemicals Company; WPH de Calgon Carbon Corporation; y Picactif PCO de Pica USA), junto con nanopartículas de negro carbón (Black Pearls 2000 de Cabott Corporation), como materias primas para la fabricación de los materiales adsorbentes laminares según los procesos generales descritos en los ejemplos 1 y 2. Las propiedades de los materiales adsorbentes laminares obtenidos se resumen en la tabla 5. Los materiales fabricados se enrollaron en espiral alrededor de una barra central (0,63 cm de diámetro) para formar contactores de paso paralelo, tal como se describe en el ejemplo 7. El separador entre las capas de adsorbentes adyacentes fue una malla de polipropileno de 230 \mum de grosor. La longitud típica de los rodillos enrollados en espiral fue de 10,2 cm y el diámetro externo fue de 2,22 cm. Los rodillos resultantes se insertaron en recipientes cilíndricos, que se conectaron a la línea de gas. En esta configuración, la dirección del flujo de gas es paralela a la superficie del adsorbente de carbono, tal como se muestra esquemáticamente en la figura 5.

TABLA 5 Propiedades de los materiales laminares de carbono adsorbente preparados con partículas de carbono de varias fuentes

5

\vskip1.000000\baselineskip

Los exámenes de pérdida de carga se realizaron utilizando nitrógeno para cada cartucho, con la salida a presión atmosférica. Se aumentó el caudal a un máximo de 4,5 l/min y se midió la pérdida de carga a lo largo de los recipientes utilizando un transductor de presión diferencial. La permeabilidad de los recipientes se calculó de la ecuación siguiente:

\vskip1.000000\baselineskip

6

\vskip1.000000\baselineskip

en la que Q (cm^{3}/min) es el caudal, l (cm) es la longitud, y A (cm^{2}) es la sección transversal de los contactores de paso paralelo, \DeltaP (Torr) es la pérdida de carga, y \mu= 1,83 10^{-5} Pa\cdots es la viscosidad del gas. Se dan en la tabla 6 los valores de permeabilidad expresados en unidades de Darcy (1 Darcy = 0,987 \cdot 10^{-13} cm^{2}). A caudales iguales, cuanto más elevada es la permeabilidad, más baja es la pérdida de carga a lo largo del recipiente.

Los exámenes de ruptura se midieron con un 1% de CO_{2} en nitrógeno, a presión atmosférica y temperatura ambiente. Antes de cada examen, los recipientes se purgaron varias horas con nitrógeno puro. Los exámenes consistieron en inyectar una etapa con el 1% de concentración de CO_{2} en la alimentación de nitrógeno, y registrar la composición del gas a la salida del contactor. La composición del gas en la alimentación se ajustó variando el caudal de nitrógeno (entre 1500 y 4500 cm^{3} N/min) y dióxido de carbono (entre 5 y 60 cm^{3} N/min). La composición del gas después del contactor se analizó utilizando un analizador de gas residual modelo RGA-100 de Stanford Research Systems. El gas se muestreó del flujo de descarga y se dirigió continuamente al analizador a través de un tubo capilar de 0,76 milímetros y un sistema de bombeo diferencial. La frecuencia de muestreo del espectrómetro de masas fue de 2 segundos. Los perfiles de ruptura se analizaron según el modelo desarrollado por Yoon y Nelson (Am. Ind. Hygiene Assoc. J., 45 (8), 509, 517 (1984)), de acuerdo con la cinética de adsorción de gas en un lecho de adsorbente sólido. La ecuación principal del modelo de Yoon - Nelson es:

\vskip1.000000\baselineskip

7

\newpage

Se relaciona la concentración del contaminante que entra (C_{entrada}) o sale (C_{salida}) del contactor con \tau, el tiempo de una ruptura del 50%, y k', una constante cinética aparente que indica la pendiente de las curvas de ruptura. Con \tau y k' medidos de los datos experimentales, se puede calcular una constante cinética intrínseca k (independiente de las condiciones de caudal y de la concentración) y una capacidad de adsorción de equilibrio W_{e} (a la concentración correspondiente del gas):

8

Los valores calculados se dan en la tabla 6. Valores grandes de k indican cinéticas de transferencia de masa rápidas.

La eficacia de separación de cada contactor se evaluó por el número de platos teóricos, N, calculados como la proporción de la longitud total de la columna y la altura equivalente de un plato teórico (L_{HETP}). Los valores de L_{HETP} se calcularon siguiendo el análisis teórico de Ruthven y de Thaeron (Gas. Sept. Purif. 10, 63 (1996)) a partir del primer y segundo momentos de las curvas de ruptura experimentales:

9

en la que \mu y \sigma se definen tal como sigue, en caso de una variación de concentración gradual:

10

\vskip1.000000\baselineskip

11

Se dan ejemplos de los valores calculados en la tabla 6. Cuanto más pequeño es el valor de L_{HETP}, más elevada es la eficacia de separación del contactor de paso paralelo.

El rendimiento energético de los contactores se calculó en términos de pérdida de carga por etapa teórica, \DeltaP_{HETP}/
L_{HETP}, según se sugiere en la referencia de Ruthven y Thaeron citada anteriormente. Para este cálculo, los presentes inventores utilizaron los valores experimentales de permeabilidad (\beta) de cada recipiente:

12

en la que \nu es la velocidad lineal. Se dan en la tabla 6 ejemplos de valores calculados. Cuanto más pequeño es el valor de \DeltaP_{HETP}/L_{HETP}, más baja es la penalización energética para la circulación del gas a través del contactor de paso paralelo.

TABLA 6 Rendimiento de varios de los materiales adsorbentes laminares cuando están incorporados en contactores de paso paralelo para la separación de CO_{2}/N_{2}

13

Los resultados de la tabla 6 demuestran que, con una excepción, todos los recipientes tienen capacidad de adsorción casi constante para el CO_{2} a 7,6 Torr de CO_{2} en fase gaseosa. Ésta es una consecuencia de las propiedades intrínsecas de adsorción de varios de los materiales de carbono y de las densidades de empaquetamiento que se pueden conseguir con ellas.

Se muestra en la figura 7 una comparación de las curvas de ruptura del CO_{2} de un 1% en volumen y un 2% en volumen del CO_{2} en N_{2} a varias condiciones de caudal para recipientes de igual volumen que contienen un lecho de carbón activo granular de 1 milímetro y una estructura de contactor de paso paralelo preparada de carbón activo Maxsorb MSP 20 de Kansai Coke, según el presente ejemplo. Ambos recipientes tienen una capacidad casi igual para el CO_{2}, pero el perfil de ruptura es mucho más agudo para el contactor de paso paralelo preparado según la presente invención. Se encontraron resultados similares para todos los contactores preparados con las láminas de material adsorbente. Los datos de la tabla 6 muestran que todos tienen una cinética de adsorción más rápida (valores más elevados de constantes cinéticas intrínsecas) que el carbón activo granular de 1 mm. Esto permite utilizar el sistema PSA en un ciclo de tiempo más corto que en los casos en los que los contactores se hacen con materiales de carbono laminares. Además, los materiales laminares muestran una mejora en el rendimiento de separación sobre el carbón granular, tal como se indica en la tabla 6 por las longitudes de HETP más cortas. Sin embargo, la permeabilidad de lechos granulares empaquetados es más elevada que la de los contactores preparados de capas de adsorbente enrolladas en espiral junto con estructuras separadoras en malla. Como resultado, la pérdida de carga por plato teórico es más baja para el lecho de carbono granular. En conclusión, a capacidades de adsorción para CO_{2} comparables, los contactores hechos con materiales adsorbentes laminares proporcionan una cinética más rápida (un tiempo de ciclo más corto) y una separación mejor (requiere una longitud menor de columna), a expensas de una pérdida de carga más elevada.

Ejemplo 10

Este ejemplo demuestra la fabricación de un contactor de paso paralelo con configuración en espiral y sin la utilización de un separador entre capas adyacentes de láminas de carbono adsorbente. Se fabricó, según el ejemplo 2, una lámina de 400 \mum de grosor de carbono adsorbente que contenía el 80% en peso de MSP 20 de Kansai Coke & Chemicals Company, el 10% en peso de Black Pearls 2000 de Cabott Corporation y el 10% en peso de agente aglutinante de PTFE. A continuación, la lámina de carbono se alineó paralela a un plato perforado de acero inoxidable de 200 \mum de grosor que contenía un dibujo de agujeros circulares, alternos, de 500 \mum de diámetro, separados por distancias no menores de 2 mm. La capa de carbono y el plato perforado según el dibujo se pasaron juntos entre unos rodillos de calandrado. Como resultado, la lámina de carbono adquirió un dibujo regular de protuberancias impresas, con alturas de 100 \mum, aproximadamente, y el espesor global de la capa del carbono, incluyendo las protuberancias elevadas, fue de 300 \mum. A continuación, esta capa de carbono se enrolló en espiral alrededor de una barra central (0,63 centímetros de diámetro) para formar contactores de paso paralelo según lo descrito en el ejemplo 7, con la diferencia de que no se utilizó un espaciador de polipropileno. Los resultados del análisis de los datos de ruptura de CO_{2} se muestran en la tabla 6. En comparación con todos los otros contactores de paso paralelo, que contienen un espaciador de malla de polipropileno, la estructura con protuberancias sin el espaciador demuestra una permeabilidad de gas más elevada a unos valores de densidad de empaquetamiento de carbono, capacidad de adsorción de CO_{2} y constante cinética intrínseca comparables. Como resultado de todos estos factores, la eficacia de separación fue más elevada y la penalización energética (expresada como pérdida de carga por plato teórico) fue más baja que para del resto de contactores preparados con una malla separadora inerte.

Los ejemplos 11 - 13 muestran que el procesado de zeolitas en forma de lámina no reduce sustancialmente las propiedades de adsorción de N_{2} del polvo de zeolita de partida.

Ejemplo 11

Se obtuvo un material laminar de zeolita que contenía el 90% de zeolita 13X en forma sódica y el 10% de PTFE mezclando 100 g de polvo de zeolita Na-X de partida con 16,6 g de Teflon T30 en presencia de agua, seguido de mezcla intensiva para provocar la fibrilación del PTFE, calandrado biaxial para formar la lámina, y secado. Las láminas (0,25 mm de grosor) se secaron al aire durante toda la noche a temperatura ambiente y durante más de 3 horas en aire a 125ºC.

Ejemplo 12

Se obtuvo un material laminar de zeolita que contenía el 90% de zeolita 13X en forma sódica y el 10% de PTFE, tal como se describe en el ejemplo 11, excepto en que se sustituyó el agua por gas blanco. Las láminas (0,25 mm de grosor) se secaron durante 3 horas en nitrógeno a 125ºC.

Ejemplo 13

Posteriormente, se sometió a los materiales laminares que contenían zeolitas de los ejemplos 11 y 12 a un tratamiento térmico a temperaturas más elevadas en un aparato de TGA en una corriente de helio. Para comparación, se trató de la misma forma el polvo de zeolita Na-X de partida. Los resultados se muestran en la figura 9. Todas las muestras eliminan el agua entre 100, aproximadamente, y 250ºC, aproximadamente. El contenido de agua es del 1% en peso, aproximadamente, para el polvo de zeolita de partida y entre el 5-8% en peso para los materiales de zeolita laminares. El polvo seco de zeolita es estable por encima de los 400ºC, mientras que el componente de PTFE de los materiales laminares de zeolita de los ejemplos 11 y 12 comienza a descomponerse por encima de una temperatura de 400ºC, aproximadamente.

De acuerdo con este resultado, el secado del polvo de zeolita de partida y de los materiales laminares formados se realizó a 340ºC en una microbalanza bajo una corriente de helio. Después del secado, la temperatura se redujo a 45ºC y el helio gas se sustituyó por N_{2}. Se observó un aumento de peso repentino en todas las muestras. El aumento de peso representa la cantidad de N_{2} adsorbida, y la derivada del cambio del peso es una medida de la velocidad instantánea de adsorción. Los datos se muestran en la figura 9 para la zeolita Na-X de partida, y en las figuras 10 y 11 para las láminas de zeolita preparadas según los procesos de los ejemplos 11 y 12, respectivamente. Para todas las muestras, los ciclos de adsorción y desorción de N_{2} son muy reproducibles. Las cantidades en equilibrio de adsorción de N_{2} fueron 0,0095 g N_{2}/ g zeolita para la zeolita Na-X pulverizada (figura 9) y 0,0073 g N_{2}/ g zeolita para las dos muestras formadas de láminas de zeolita (figuras 10 y 11). La velocidad de adsorción se estimó en 0,008 g N_{2} min^{-1}/ g zeolita, aproximadamente, para la zeolita Na-X de partida (figura 9) y 0,006 g N_{2} min^{-1}/ g zeolita, aproximadamente, para las dos muestras formadas de láminas de zeolita (figuras 10 y 11).

Claims

1. Contactor de paso paralelo de un proceso de adsorción por cambio de presión, que comprende un material adsorbente, que contiene materiales en partículas adsorbentes y un aglutinante polimérico, fabricado en una lámina sin refuerzos, autosustentante, flexible y coherente, en la que el material en partículas adsorbente comprende partículas de un primer grupo, bien de forma única o bien mezcladas con partículas de un segundo grupo, incluyendo dichas partículas del primer grupo nanopartículas de carbono, nanopartículas de óxidos inorgánicos y nanopartículas cerámicas, y tienen tamaños de partícula dentro del intervalo de 10 a 200 nm, y dicho material en partículas adsorbente es diferente de dicho aglutinante polimérico.

2. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que el material en partículas adsorbente del segundo grupo incluye carbón activo, óxidos inorgánicos, materiales cerámicos o resinas poliméricas sintéticas y tienen tamaños de partícula en el intervalo de 0,2 \mum a 100 \mum.

3. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que el material en partículas adsorbente tiene un área superficial BET, según se mide de la adsorción de nitrógeno, dentro del intervalo de 200 a 2500 m^{2}/g, y el volumen de microporos dentro del intervalo de 0,2 a 1 cm^{3}/g.

4. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que el grosor de la lámina está dentro del intervalo de 50 a 1000 \mum.

5. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que la porosidad abierta (fracción de volumen de espacio vacío) de la lámina está dentro del intervalo del 30 al 95%.

6. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que la proporción de área superficial de la lámina con respecto al volumen total de la lámina está dentro del intervalo de 200 a 2500 m^{2}/cm^{3} y la proporción de volumen de microporos de la lámina al volumen total de la lámina está dentro del intervalo de de 0,1 a 0,9.

7. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que dicho aglutinante polimérico es polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno (PTFE), cloruro de polivinilo (PVC), cloruro de polivinilideno (PVDC), fluoruro de polivinilideno (PVDF), poliamida, celulosa o derivados de celulosa.

8. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que el aglutinante está presente en el intervalo del 3 a 30% en peso.

9. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que la resistencia a la tracción de la lámina es mayor de 2 Kg/cm^{2} y en el que la lámina es flexible y plegable.

10. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que el material en partículas adsorbente del primer o del segundo grupo es alguna de las siguientes formas de carbono: nanotubos del carbono, fulerenos de carbono, negro carbón, partículas de carbón activo, fibras de carbón activo.

11. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que los materiales en partículas adsorbentes son arcillas y zeolitas naturales o sintéticas.

12. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que las láminas se enrollan en espiral, o se disponen en capas con intersticios entre láminas adyacentes para permitir que el gas fluya paralelo a la superficie de la lámina.

13. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 12, en el que las láminas están separadas por una malla polimérica, por marcas poliméricas impresas en la lámina, por corrugación de la lámina, por indentaciones y protuberancias formadas en las láminas, o se configuran en un diseño de panal de abeja.

14. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 12, en el que un cuerpo envolvente impermeable rodea el contactor y proporciona las conexiones para la entrada y la salida de gas.

15. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 13, en el que la lámina se prepara del material adsorbente de la reivindicación 10.

16. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 15, en el que la lámina se conecta eléctricamente en los extremos opuestos.

17. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 14, en el que la permeabilidad del aire medida entre la entrada y la salida es mayor de 10^{-15} m^{2}.

18. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 14, en el que la proporción de volumen total de microporos al volumen total del contactor del conducto de paso paralelo está dentro del intervalo de 0,1 a 0,9.

19. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 14, que se utiliza para la separación o concentración de gas en sistemas de adsorción por cambio de presión de ciclo rápido.

20. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 14, que se utiliza para la deshumidificación de aire.

21. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 14, que se utiliza para la separación de componentes del aire.

22. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que las partículas y el aglutinante polimérico se fabrican sobre un sustrato por moldeo o imprimación en cinta para formar una lámina.

23. Contactor de paso paralelo, según la reivindicación 1, en el que dicha lámina se imprima con embuticiones.