ES2526259B1 - PROCEDURE FOR OBTAINING AN ADSORBENT THAT USES POST-CONSUMPTION COFFEE WASTE AND ITS USE FOR CO2 ADSORTION - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de obtención de un adsorbente que utiliza residuos de café postconsumo y su utilización para la adsorción de CO{sub,2}.#La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material adsorbente con capacidad para adsorber CO{sub,2}, que utiliza residuos de café postconsumo. El procedimiento de obtención comprende el secado del residuo, su conformación, en ausencia de ligantes, y su activación térmica en presencia de un agente activante, que preferentemente es CO{sub,2}. Las características texturales y de densidad del material obtenido por el procedimiento de la invención, que también se protege, lo convierten en un candidato ideal para la adsorción de CO{sub,2}, y preferentemente en la captura de CO{sub,2} postcombustión.Method of obtaining an adsorbent using post-consumer coffee waste and its use for the adsorption of CO {sub, 2}. # The present invention relates to a process for obtaining an adsorbent material capable of adsorbing CO {sub, 2 }, which uses post-consumer coffee waste. The process for obtaining comprises drying the residue, its conformation, in the absence of binders, and its thermal activation in the presence of an activating agent, which is preferably CO {sub, 2}. The textural and density characteristics of the material obtained by the process of the invention, which is also protected, make it an ideal candidate for the adsorption of CO {sub, 2}, and preferably in the capture of CO {sub, 2} post combustion
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Procedimiento de obtención de un adsorbente que utiliza residuos de café postconsumo y su utilización para adsorción de CO2. Procedure for obtaining an adsorbent that uses post-consumer coffee waste and its use for CO2 adsorption.
Sector de la técnica 5 Technical sector 5
La presente invención tiene que ver con un procedimiento de obtención de un adsorbente, obtenido a partir de residuos de café postconsumo, con potencial aplicación en procesos de separación de gases mediante adsorción, especialmente útil para la captura de CO2 postcombustión, y que por lo tanto se sitúa en el sector energético (producción de electricidad) e industrial (industria cementera, industria metalúrgica, industria petroquímica, 10 etc.) gran emisor de CO2. The present invention has to do with a method of obtaining an adsorbent, obtained from post-consumer coffee waste, with potential application in gas separation processes by adsorption, especially useful for the capture of CO2 after combustion, and therefore It is located in the energy sector (electricity production) and industrial (cement industry, metallurgical industry, petrochemical industry, 10 etc.) large CO2 emitter.
Estado de la técnica State of the art
La captura de CO2 postcombustión (CCP) se refiere a la separación del CO2 presente en los gases de chimenea de grandes fuentes estacionarias, como centrales térmicas e 15 instalaciones industriales, para almacenarlo de forma segura en formaciones geológicas, evitando su emisión a la atmósfera, y contribuyendo así a la mitigación de emisiones de CO2. Existen distintas tecnologías capaces de llevar a cabo esta separación. La absorción con aminas se ha utilizado en la industria desde 1930 para llevar a cabo separaciones similares, aunque a una escala menor. Sin embargo, aún no existen unidades comerciales 20 de CCP, debido tanto a la magnitud del problema como a la elevada penalización energética de los procesos de absorción química, ya que es necesario calentar elevados volúmenes de disoluciones diluidas de aminas para lograr su regeneración. En los procesos de adsorción con sólidos, la regeneración del adsorbente se realiza mediante un cambio en la presión y/o temperatura del sistema (PSA/TSA). Esta regeneración es energéticamente mucho menos 25 intensiva, por lo que se espera que la aplicación de procesos de adsorción a la CCP contribuya de manera significativa a reducir sus costes. Post-combustion CO2 capture (CCP) refers to the separation of CO2 present in chimney gases from large stationary sources, such as thermal power plants and 15 industrial facilities, to store it safely in geological formations, preventing its emission into the atmosphere, and thus contributing to the mitigation of CO2 emissions. There are different technologies capable of carrying out this separation. Absorption with amines has been used in industry since 1930 to carry out similar separations, although on a smaller scale. However, there are still no commercial units 20 of CCP, due to both the magnitude of the problem and the high energy penalty of chemical absorption processes, since it is necessary to heat high volumes of dilute solutions of amines to achieve their regeneration. In adsorption processes with solids, the regeneration of the adsorbent is carried out by means of a change in the pressure and / or temperature of the system (PSA / TSA). This regeneration is energetically much less intensive, so the application of adsorption processes to the CCP is expected to contribute significantly to reducing its costs.
Los carbones activados presentan buenas propiedades como adsorbentes para la CCP debido a su bajo coste, disponibilidad, elevada estabilidad en las condiciones de los gases 30 de chimenea, alta selectividad CO2/N2, y fácil regeneración. Existen algunos procesos patentados donde se utilizan carbones activados para separar el CO2 de mezclas gaseosas mediante procesos de adsorción: la patente US4726815 describe un proceso PSA para la adsorción y separación del CO2 de mezclas gaseosas con un contenido de CO2 igual o superior al 10% y la patente US2010/0242728A1 describe un proceso para separar el CO2 35 procedente de una mezcla de gases, que consiste en poner en contacto el gas con un Activated carbons have good properties as adsorbents for CCP due to their low cost, availability, high stability under chimney gas conditions 30, high CO2 / N2 selectivity, and easy regeneration. There are some patented processes where activated carbons are used to separate CO2 from gaseous mixtures by adsorption processes: US4726815 describes a PSA process for adsorption and separation of CO2 from gaseous mixtures with a CO2 content equal to or greater than 10% and US2010 / 0242728A1 describes a process for separating CO2 from a gas mixture, which consists in bringing the gas into contact with a
adsorbente carbonoso, capaz de adsorber el CO2 a temperaturas próximas (o inferiores) a la temperatura ambiente, y de liberar el CO2 por calentamiento, reducción de la presión, o combinación de ambos. carbonaceous adsorbent, capable of adsorbing CO2 at temperatures close to (or below) room temperature, and of releasing CO2 by heating, pressure reduction, or a combination of both.
Los carbones activados pueden obtenerse a partir de precursores con elevado contenido en 5 carbono y bajo contenido en materia inorgánica. Los precursores más utilizados a nivel industrial son el carbón, el coque, la turba, la madera y la cáscara de coco. La biomasa constituye una fuente renovable, por lo que se prevé que su aprovechamiento como materia prima aumente con el tiempo. La obtención de carbones activados y tamices moleculares de carbono a partir de biomasa está ampliamente extendida: Ioannidou y Zabaniotou, 2007, 10 Renew Sustainable Energy Rev, 2007, 11, p:1966-2005; Mohamed y col., Renew Sustainable Energy Rev, 2010, 14, p:1591-1599. Activated carbons can be obtained from precursors with a high content of 5 carbon and a low content of inorganic matter. The most used precursors at the industrial level are coal, coke, peat, wood and coconut shell. Biomass is a renewable source, so its use as a raw material is expected to increase over time. Obtaining activated carbons and molecular carbon sieves from biomass is widespread: Ioannidou and Zabaniotou, 2007, 10 Renew Sustainable Energy Rev, 2007, 11, p: 1966-2005; Mohamed et al., Renew Sustainable Energy Rev, 2010, 14, p: 1591-1599.
El café es una importante fuente de residuos: tanto en origen, durante el procesado del café (pulpa, cáscara, etc.), como en el destino final (por cada kg de café verde, se generan 15 0,65 kg de residuo de café agotado). Además, cerca del 50 % del café producido a nivel mundial se destina a la producción de café soluble, que genera cerca de 2 kg de residuo de café agotado por kg producido (Murthy y Naidu, Resour Conserv Recy, 2012, 66, p:45-58). Estos residuos de café agotado (referido de aquí en adelante como café postconsumo) son depositados en vertederos junto con otros residuos sólidos urbanos, o bien son usados 20 como combustible en calderas o empleados para la fabricación de compost. Sin embargo, de acuerdo con la jerarquía de residuos establecida en el artículo 8 de la ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados, el reciclaje es prioritario sobre la valorización energética o la eliminación. Entre las posibilidades de reciclaje de este residuo, encontramos la obtención de carbones activados, que suponen un producto de alto valor añadido. En el 25 estado de la técnica pueden encontrarse antecedentes de producción de carbones activados a partir de residuos de café mediante activación química con KOH, ZnCl2, H3PO4, y carbonatos: Evans y col. Carbon, 1999, 37, p:269-274; US2003/0196954A1; Namane y col. J Hazard Mater, 2005, 119, p:189-194; Boonamnuayvitaya y col. Sep Purif Technol, 2005, 42, p: 159-168; Reffas y col. J Hazard Mater, 2010, 175, p:779-788; Plaza y col. Appl Energ, 30 2012, 99, p:272-279; Kante y col. J Hazard Mater, 2012, 201–202, p:147. También existen referencias de producción de carbones activados a partir de residuos de café postconsumo mediante activación física en dos etapas, consistente en una carbonización en atmósfera de N2 seguida de activación con CO2 o H2O: Tsunoda y col. J. Colloid Interface Sci., 1998, 205, p:265-270. Las aplicaciones propuestas para estos carbones son diversas, aunque 35 Coffee is an important source of waste: both in origin, during coffee processing (pulp, peel, etc.), and in the final destination (for every kg of green coffee, 15 0.65 kg of waste is generated. coffee out of stock) In addition, about 50% of the coffee produced worldwide is destined for the production of soluble coffee, which generates about 2 kg of waste of spent coffee per kg produced (Murthy and Naidu, Resour Conserv Recy, 2012, 66, p: 45-58). This waste of spent coffee (referred to hereinafter as post-consumer coffee) is deposited in landfills along with other municipal solid waste, or they are used as fuel in boilers or used for the manufacture of compost. However, in accordance with the hierarchy of waste established in article 8 of law 22/2011, of July 28, on contaminated waste and soil, recycling is a priority over energy recovery or disposal. Among the possibilities of recycling this waste, we find obtaining activated carbons, which are a product with high added value. In the prior art, production history of activated carbon from coffee residues by chemical activation with KOH, ZnCl2, H3PO4, and carbonates can be found: Evans et al. Carbon, 1999, 37, p: 269-274; US2003 / 0196954A1; Namane et al. J Hazard Mater, 2005, 119, p: 189-194; Boonamnuayvitaya et al. Sep Purif Technol, 2005, 42, p: 159-168; Reffas et al. J Hazard Mater, 2010, 175, p: 779-788; Plaza et al. Appl Energ, 30 2012, 99, p: 272-279; Kante et al. J Hazard Mater, 2012, 201–202, p: 147. There are also references to the production of activated carbon from post-consumer coffee waste by physical activation in two stages, consisting of a carbonization in an N2 atmosphere followed by activation with CO2 or H2O: Tsunoda et al. J. Colloid Interface Sci., 1998, 205, p: 265-270. The proposed applications for these coals are diverse, although 35
predominan la adsorción en fase líquida: adsorción de formaldehido, fenol y eliminación de colorantes de corrientes acuosas (azul de metileno y rojo (N-2RBL). Liquid phase adsorption predominates: formaldehyde adsorption, phenol and removal of aqueous stream dyes (methylene blue and red (N-2RBL).
Los carbones activados obtenidos directamente por activación de residuos de café postconsumo, tienen un tamaño de partícula demasiado fino para aplicaciones de lecho fijo, 5 aunque pueden ser utilizados en procesos discontinuos, especialmente para procesos de adsorción en fase líquida. La obtención de carbones activados granulares, aptos para operaciones de lecho fijo, requiere una etapa previa de conformado. Esta etapa, en muchas ocasiones, conlleva el uso de agentes ligantes (breas, por ejemplo), que pueden bloquear el acceso a los microporos, reduciendo la capacidad de adsorción del producto final. Sin 10 embargo, los residuos de café postconsumo presentan la particularidad de que pueden ser conformados sin ayuda de ligantes. Activated carbons obtained directly by activation of post-consumer coffee waste, have a particle size too fine for fixed bed applications, 5 although they can be used in discontinuous processes, especially for liquid phase adsorption processes. Obtaining granular activated carbons, suitable for fixed bed operations, requires a previous stage of forming. This stage, in many cases, involves the use of binding agents (breas, for example), which can block access to micropores, reducing the adsorption capacity of the final product. However, post-consumer coffee residues have the peculiarity that they can be shaped without the aid of binders.
Breve descripción de la invención Brief Description of the Invention
El problema técnico a resolver es la adsorción de CO2, y preferentemente la captura de CO2 15 postcombustión, que se refiere a la separación del CO2 presente en los gases de chimenea de grandes fuentes estacionarias, como centrales térmicas e instalaciones industriales, para almacenarlo de forma segura en formaciones geológicas, evitando su emisión a la atmósfera, y contribuyendo así a la mitigación de emisiones de CO2. Se espera que la CCP contribuya de forma importante en la lucha contra el cambio climático a medio plazo. Sin 20 embargo, aún no existen unidades comerciales de CCP, debido tanto a la magnitud del problema como a la elevada penalización energética de las tecnologías disponibles. El uso del adsorbente objeto de esta invención en un proceso de separación de CO2 mediante adsorción podría reducir de manera significativa los costes de la CCP. The technical problem to be solved is the adsorption of CO2, and preferably the capture of CO2 after combustion, which refers to the separation of CO2 present in chimney gases from large stationary sources, such as thermal power plants and industrial facilities, to store it in a way safe in geological formations, avoiding their emission into the atmosphere, and thus contributing to the mitigation of CO2 emissions. The CCP is expected to contribute significantly to the fight against climate change in the medium term. However, there are still no commercial units of CCP, due to both the magnitude of the problem and the high energy penalty of available technologies. The use of the adsorbent object of this invention in a process of CO2 separation by adsorption could significantly reduce the costs of the CCP.
25 25
El primer objeto de la invención lo constituye un procedimiento de obtención de un material adsorbente microporoso derivado de un residuo de café postconsumo, que comprende las siguientes etapas: The first object of the invention is a process for obtaining a microporous adsorbent material derived from a post-consumer coffee residue, which comprises the following steps:
a) secado del residuo de café postconsumo para reducir su contenido inicial de humedad, 30 a) drying of post-consumer coffee residue to reduce its initial moisture content, 30
b) conformado, en ausencia de ligantes, del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (a), y b) formed, in the absence of binders, of the post-consumer coffee residue obtained according to step (a), and
c) activación del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (b) por tratamiento térmico utilizando un agente activante. c) activation of the post-consumer coffee residue obtained according to step (b) by heat treatment using an activating agent.
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Un segundo objeto de la invención lo constituye el material adsorbente obtenido a través del procedimiento de obtención anteriormente referido y que se caracteriza por : A second object of the invention is the adsorbent material obtained through the aforementioned method of obtaining and characterized by:
i) una densidad aparente comprendida entre 0,400 g cm-3 y 1,000 g cm-3, i) an apparent density between 0.400 g cm-3 and 1,000 g cm-3,
ii) un volumen de microporos de al menos 0,2 cm3 g-1, ii) a micropore volume of at least 0.2 cm3 g-1,
iii) un tamaño medio de microporo inferior a 1 nm, y 5 iii) an average micropore size of less than 1 nm, and 5
iv) una capacidad de adsorción de CO2 comprendida entre 0,5 y 2,0 mmol g-1 a 14 kPa y a temperaturas comprendidas entre 0 y 50 ˚C. iv) a CO2 adsorption capacity between 0.5 and 2.0 mmol g-1 at 14 kPa and at temperatures between 0 and 50 ˚C.
El tercer objeto de la invención lo constituye el uso del material para la adsorción de CO2, y preferentemente en la captura de CO2 postcombustión, a través de las siguientes etapas: 10 The third object of the invention is the use of the material for the adsorption of CO2, and preferably in the capture of CO2 after combustion, through the following steps:
a) poner en contacto el gas a tratar con el material adsorbente para separar el CO2; y a) contacting the gas to be treated with the adsorbent material to separate the CO2; Y
b) regenerar el material adsorbente, recuperando el CO2 previamente capturado. b) regenerate the adsorbent material, recovering the previously captured CO2.
Descripción detallada de la invención 15 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención se basa en la observación de que un procedimiento que utiliza un residuo de café postconsumo como precursor carbonoso de bajo coste, y que consiste en someter a dicho precursor a un proceso de conformado en ausencia de ligantes, y posteriormente a un tratamiento térmico de activación con CO2 (ver Ejemplos 1 y 2), sorprendentemente, permite obtener un adsorbente conformado con mejores propiedades 20 texturales (ver Ejemplo 5) y con mayor capacidad de adsorción de CO2 (ver Ejemplo 6) que un adsorbente no conformado obtenido por un procedimiento similar (ver Ejemplo 3). The present invention is based on the observation that a process that uses a post-consumer coffee residue as a low-cost carbonaceous precursor, and which consists in subjecting said precursor to a forming process in the absence of binders, and subsequently to a heat treatment of activation with CO2 (see Examples 1 and 2), surprisingly, allows to obtain an adsorbent formed with better textural properties (see Example 5) and with greater CO2 adsorption capacity (see Example 6) than a non-formed adsorbent obtained by a similar procedure (see Example 3).
La elevada capacidad de adsorción de CO2 a bajas presiones parciales (ver Ejemplo 7), características de sistemas postcombustión, del adsorbente obtenido por el procedimiento 25 anteriormente referido, junto con su alta selectividad de equilibrio hacia el CO2 sobre el N2, que ha sido corroborada mediante experimentos de adsorción con mezclas binarias CO2/N2 (ver Ejemplo 8), así como su facilidad de regeneración (ver Ejemplos 8.2 y 9) lo convierten en un material idóneo para la captura de CO2 postcombustión mediante adsorción. The high adsorption capacity of CO2 at low partial pressures (see Example 7), characteristics of post-combustion systems, of the adsorbent obtained by the above-mentioned procedure 25, together with its high selectivity of equilibrium towards CO2 over N2, which has been corroborated through adsorption experiments with binary CO2 / N2 mixtures (see Example 8), as well as its ease of regeneration (see Examples 8.2 and 9), they make it an ideal material for the capture of CO2 after combustion by adsorption.
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Las principales ventajas del procedimiento de obtención, del material obtenido y de su uso para la adsorción de CO2, preferentemente en la captura de CO2 postcombustión, se enumeran a continuación: The main advantages of the process of obtaining, of the material obtained and of its use for the adsorption of CO2, preferably in the capture of CO2 after combustion, are listed below:
a) con respecto al procedimiento de obtención: a) with respect to the procedure for obtaining:
- es simple y económico, ya que parte de un residuo, no precisa de uso de ligantes 35 durante el conformado, ni precisa de la etapa de carbonización previa a la etapa de - it is simple and economical, since part of a residue does not require the use of binders 35 during forming, nor does it require the carbonization stage prior to the stage of
activación del material, que se utiliza convencionalmente en la manufactura de otros materiales carbonosos adsorbentes, material activation, which is conventionally used in the manufacture of other adsorbent carbonaceous materials,
- permite su preparación a escala industrial, - allows its preparation on an industrial scale,
- es respetuoso con el Medio Ambiente, en comparación por ejemplo, con los procesos de activación química, que requieren del uso de agentes químicos y de procesos 5 de lavado para eliminarlos, y - it is respectful with the Environment, in comparison, for example, with chemical activation processes, which require the use of chemical agents and washing processes to eliminate them, and
- es una alternativa de valorización para un residuo muy abundante, como es el café postconsumo; - It is an alternative for recovery of a very abundant residue, such as post-consumer coffee;
b) con respecto al material obtenido: b) with respect to the material obtained:
- presenta una elevada densidad aparente, 10 - has a high apparent density, 10
- presenta un tamaño de partícula que puede ser ajustado a las características de la aplicación final, - it has a particle size that can be adjusted to the characteristics of the final application,
- presenta un elevado volumen de microporos, con una distribución estrecha de los mismos, - it has a high volume of micropores, with a narrow distribution of them,
- presenta una elevada capacidad de adsorción de CO2, especialmente a bajas 15 presiones parciales, incluso a temperaturas de entre 25 y 50 ˚C, que pueden considerarse típicas de procesos postcombustión, - it has a high CO2 adsorption capacity, especially at low partial pressures, even at temperatures between 25 and 50 ˚C, which can be considered typical of post-combustion processes,
- presenta alta selectividad de equilibrio hacia el CO2 sobre el N2 (principal componente de las mezclas postcombustión), - it has high equilibrium selectivity towards CO2 over N2 (main component of post-combustion mixtures),
- presenta alta estabilidad, 20 - has high stability, 20
- permite una fácil regeneración, y - allows easy regeneration, and
- presenta una menor huella de carbono que otros adsorbentes, ya que utiliza biomasa como precursor (ha captado CO2 de la atmósfera durante su crecimiento); - it has a lower carbon footprint than other adsorbents, since it uses biomass as a precursor (it has captured CO2 from the atmosphere during its growth);
c) con respecto al uso en adsorción de CO2: c) with respect to the use in adsorption of CO2:
- permite su uso en procesos de captura de CO2 postcombustión mediante 25 adsorción, que presentan menor coste que las tecnologías de absorción, - allows its use in post-combustion CO2 capture processes through adsorption, which have a lower cost than absorption technologies,
- presenta muy buenas propiedades para ser utilizado como adsorbente de CO2 cuando la presión parcial de CO2 en la mezcla gaseosa a separar es reducida, - it has very good properties to be used as a CO2 adsorbent when the partial pressure of CO2 in the gas mixture to be separated is reduced,
- puede ser fácilmente regenerado mediante una reducción de la presión y/o un incremento de la temperatura, y 30 - can be easily regenerated by reducing the pressure and / or increasing the temperature, and 30
- precisa de un menor tamaño y/o número de adsorbedores necesarios para tratar los gases a separar, debido a su alta densidad aparente y su mayor capacidad volumétrica. - it requires a smaller size and / or number of adsorbers necessary to treat the gases to be separated, due to its high apparent density and its greater volumetric capacity.
Constituye el primer objeto de la invención, un procedimiento de obtención de un material adsorbente microporoso derivado de un residuo de café postconsumo, con alta densidad 35 aparente, elevado volumen de microporos, alta capacidad de adsorción de CO2, y elevada It is the first object of the invention, a process for obtaining a microporous adsorbent material derived from a post-consumer coffee residue, with high apparent density, high micropore volume, high CO2 adsorption capacity, and high
selectividad de equilibrio hacia el CO2, en adelante procedimiento de obtención de la invención, que comprende las siguientes etapas: equilibrium selectivity towards CO2, hereinafter method of obtaining the invention, comprising the following steps:
a) secado del residuo de café postconsumo para reducir su contenido inicial de humedad, a) drying of post-consumer coffee residue to reduce its initial moisture content,
b) conformado, en ausencia de ligantes, del residuo de café postconsumo obtenido 5 según la etapa (a), y b) formed, in the absence of binders, of the post-consumer coffee residue obtained according to step (a), and
c) activación del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (b) por tratamiento térmico utilizando un agente activante. c) activation of the post-consumer coffee residue obtained according to step (b) by heat treatment using an activating agent.
Por “selectividad de equilibrio hacia el CO2” se entiende que el adsorbente presenta una 10 capacidad de adsorción de CO2 significativamente superior a la de los otros componentes presentes en la mezcla a separar. El N2 es el compuesto mayoritario de los gases de chimenea (en torno al 80 %), por lo que en la presente invención, la selectividad de equilibrio se refiere a la selectividad hacia el CO2 sobre el N2. Esta selectividad es un factor fundamental para poder separar el CO2 de gases de chimenea. 15 By "equilibrium selectivity towards CO2" is meant that the adsorbent has a CO2 adsorption capacity significantly higher than that of the other components present in the mixture to be separated. N2 is the majority compound of chimney gases (around 80%), so that in the present invention, equilibrium selectivity refers to the selectivity towards CO2 over N2. This selectivity is a fundamental factor to be able to separate CO2 from chimney gases. fifteen
Por “residuo de café postconsumo” se entiende el residuo sólido biomásico, que se obtiene de la elaboración de cualquier bebida de café y que preferentemente presenta un contenido en carbono elevado, de más del 50 %, y muy reducido de materia inorgánica, inferior al 2%. Ejemplos de residuos de café postconsumo que se pueden utilizar en el procedimiento de 20 obtención de la invención son, residuos obtenidos en la elaboración de café a nivel doméstico, a nivel de hostelería o a nivel industrial, y que incluye el residuo de la producción de café soluble o instantáneo. By "post-consumer coffee residue" is meant the bi-phase solid residue, which is obtained from the elaboration of any coffee beverage and which preferably has a high carbon content, of more than 50%, and very reduced inorganic matter, less than 2%. Examples of post-consumer coffee waste that can be used in the process of obtaining the invention are, residues obtained in the production of coffee at the domestic level, at the hospitality level or at the industrial level, and which includes the residue from coffee production soluble or instant.
En una realización particular de la invención, el secado del paso (a) se lleva a cabo a una 25 temperatura comprendida entre 50 y 150 °C, y durante un tiempo comprendido entre 1 y 24 h. In a particular embodiment of the invention, the drying of step (a) is carried out at a temperature between 50 and 150 ° C, and for a time between 1 and 24 h.
En una realización preferida de la invención, el secado del paso (a) se lleva a cabo a una temperatura de 100 °C durante un tiempo de 4 h. 30 In a preferred embodiment of the invention, drying of step (a) is carried out at a temperature of 100 ° C for a time of 4 h. 30
En un aspecto de la invención el residuo seco de café postconsumo comprende un tamaño de partícula uniforme, menor de 1 mm, con una fracción mayoritaria comprendida entre 212 y 425 μm. In one aspect of the invention, the post-consumer coffee dry residue comprises a uniform particle size, smaller than 1 mm, with a majority fraction between 212 and 425 μm.
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En otro aspecto de la invención, el conformado del residuo de café postconsumo de la etapa (b) se lleva a cabo sin la adición de ligantes, según un procedimiento seleccionado de entre, compactación por presión con ayuda de una pastilladora, peletizadora o prensa para formar pastillas, pellets, o briquetas, o bien por extrusión. In another aspect of the invention, the post-consumer coffee residue forming of step (b) is carried out without the addition of binders, according to a method selected from among, pressure compaction with the help of a pill, pelletizer or press for form pills, pellets, or briquettes, or by extrusion.
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En una realización particular de la invención, el tratamiento de conformado de la etapa (b) se lleva a cabo por compactación mediante presión del residuo de café postconsumo, utilizando una pastilladora o peletizadora que permite ajustar el diámetro deseado. Preferentemente los pellets obtenidos presentan un diámetro comprendido entre 2 y 10 mm y una altura comprendida entre 2 y 11 mm. 10 In a particular embodiment of the invention, the forming treatment of step (b) is carried out by compaction by pressing the post-consumer coffee residue, using a pastillator or pelletizer that allows the desired diameter to be adjusted. Preferably, the pellets obtained have a diameter between 2 and 10 mm and a height between 2 and 11 mm. 10
En una realización preferida de la invención, tras la etapa (b) de conformado se obtienen pellets cilíndricos de 4 mm de diámetro por 3 mm de altura. In a preferred embodiment of the invention, after the step (b) of forming, cylindrical pellets of 4 mm in diameter and 3 mm in height are obtained.
En un aspecto de la invención, el tratamiento térmico de la etapa (c) se lleva a cabo en un 15 lecho fijo, o en un lecho fluidizado o en un horno rotatorio. In one aspect of the invention, the heat treatment of step (c) is carried out in a fixed bed, or in a fluidized bed or in a rotary kiln.
Por “agente activante” se entiende una especie química capaz de reaccionar con los átomos de carbono de la superficie del material, gasificándolo parcialmente y desarrollando la textura porosa del material. 20 By "activating agent" is meant a chemical species capable of reacting with the carbon atoms of the surface of the material, partially gasifying it and developing the porous texture of the material. twenty
Ejemplos de agentes activantes que se pueden utilizar en la presente invención son, sin limitarse, CO2, H2O, aire, NH3 y sus mezclas, y preferentemente el CO2. Examples of activating agents that can be used in the present invention are, without limitation, CO2, H2O, air, NH3 and mixtures thereof, and preferably CO2.
Un tratamiento térmico con una corriente de gas que contiene CO2, que es un compuesto 25 inocuo, y altamente disponible, reduce en un 80 % el contenido en volátiles del precursor carbonoso y desarrolla la textura porosa, manteniendo la morfología externa de la partícula conformada, aunque se produce una reducción del tamaño debido a la pérdida de materia volátil. Adicionalmente, los subproductos líquidos y gaseosos producidos durante el tratamiento térmico pueden ser aprovechados por su contenido energético. 30 A heat treatment with a gas stream containing CO2, which is a harmless, and highly available compound, reduces the volatile content of the carbonaceous precursor by 80% and develops the porous texture, maintaining the external morphology of the shaped particle, although there is a reduction in size due to the loss of volatile matter. Additionally, the liquid and gaseous by-products produced during the heat treatment can be used for their energy content. 30
En otra realización preferida de la invención el agente activante es CO2 puro. In another preferred embodiment of the invention the activating agent is pure CO2.
En otra realización preferida de la invención, el tratamiento térmico con una corriente de CO2 puro se lleva a cabo a temperaturas comprendidas entre 600 y 900 °C, y preferentemente 35 In another preferred embodiment of the invention, heat treatment with a stream of pure CO2 is carried out at temperatures between 600 and 900 ° C, and preferably
entre 700 y 750 °C, durante periodos de tiempo comprendidos entre 30 min y 12 h y con una velocidad de calentamiento comprendida entre 1 y 100 °C min-1. between 700 and 750 ° C, for periods of time between 30 min and 12 h and with a heating rate between 1 and 100 ° C min-1.
En un ejemplo de realización, el tratamiento térmico se realiza en un reactor de lecho fijo (D.I. 3,9 cm) con una corriente de CO2 (velocidad superficial de 0,005 m s-1) a 700 °C 5 durante 8 h (velocidad de calentamiento de 5 °C min-1). In an exemplary embodiment, the heat treatment is carried out in a fixed bed reactor (ID 3.9 cm) with a CO2 current (surface speed of 0.005 m s-1) at 700 ° C 5 for 8 h (speed of heating of 5 ° C min-1).
El proceso de activación, reduce el tamaño de los pellets obtenidos tras el conformado de la etapa (b), debido a la pérdida de materia volátil. The activation process reduces the size of the pellets obtained after forming stage (b), due to the loss of volatile matter.
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En una realización particular de la invención tras la etapa (c) de activación del residuo de café postconsumo, se obtienen pellets con un diámetro de partícula y una altura comprendidos entre 1 y 10 mm, y preferentemente con un diámetro de partícula de 2,7 y una altura de 1,9 mm. In a particular embodiment of the invention after step (c) of activation of the post-consumer coffee residue, pellets with a particle diameter and a height between 1 and 10 mm, and preferably with a particle diameter of 2.7, are obtained and a height of 1.9 mm.
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Un segundo objeto de la invención lo constituye el material adsorbente obtenido por el procedimiento de la invención, en adelante material adsorbente de la invención. A second object of the invention is the adsorbent material obtained by the process of the invention, hereinafter adsorbent material of the invention.
En un aspecto de la invención, el material adsorbente de la invención es un material que presenta: 20 In one aspect of the invention, the adsorbent material of the invention is a material having:
i) una densidad aparente comprendida entre 0,400 g cm-3 y 1,000 g cm-3, i) an apparent density between 0.400 g cm-3 and 1,000 g cm-3,
ii) un volumen de microporos de al menos 0,2 cm3 g-1, ii) a micropore volume of at least 0.2 cm3 g-1,
iii) un tamaño medio de microporo inferior a 1 nm, preferentemente de 0,5 nm, y iii) an average micropore size of less than 1 nm, preferably 0.5 nm, and
iv) una capacidad de adsorción de CO2 comprendida entre 0,5 y 2,0 mmol g-1 a 14 kPa y a temperaturas comprendidas entre 0 y 50 ˚C. 25 iv) a CO2 adsorption capacity between 0.5 and 2.0 mmol g-1 at 14 kPa and at temperatures between 0 and 50 ˚C. 25
El volumen de microporos y la naturaleza estrecha de los mismos son responsables de que el material adsorbente de la invención presente una capacidad de equilibrio de adsorción de CO2 especialmente elevada a presiones parciales de CO2 bajas, característica de los gases de combustión. 30 The micropore volume and the narrow nature thereof are responsible for the adsorbent material of the invention having a particularly high CO2 adsorption equilibrium capacity at low partial CO2 pressures, characteristic of flue gases. 30
Constituye el tercer objeto de la invención el uso del material adsorbente de la invención para la adsorción de CO2, en adelante uso de la invención. The third object of the invention is the use of the adsorbent material of the invention for the adsorption of CO2, hereinafter use of the invention.
En un aspecto de la invención, el uso de la invención comprende, al menos, las siguientes 35 etapas: In one aspect of the invention, the use of the invention comprises at least the following steps:
a) poner en contacto el gas a tratar con el material adsorbente de la invención, para separar el CO2, y a) contacting the gas to be treated with the adsorbent material of the invention, to separate the CO2, and
b) regenerar el material adsorbente de la invención, recuperando el CO2 previamente capturado. b) regenerate the adsorbent material of the invention, recovering the previously captured CO2.
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En una realización particular de la invención, el uso del material de la invención se lleva a cabo en la captura de CO2 postcombustión. In a particular embodiment of the invention, the use of the material of the invention is carried out in the capture of CO2 after combustion.
El experto en la materia conocerá que el punto de instalación más probable para una unidad de captura postcombustión en una central térmica de carbón es a la salida de la unidad de 10 desulfuración. Asimismo, el experto en la materia conocerá que los gases de chimenea que abandonan dicha unidad se encuentran a una presión próxima a la atmosférica y a una temperatura en torno a 50 °C. The person skilled in the art will know that the most likely installation point for a post-combustion capture unit in a coal-fired power plant is at the exit of the desulfurization unit. Likewise, the person skilled in the art will know that the chimney gases leaving said unit are at a pressure close to atmospheric and at a temperature around 50 ° C.
Típicamente, en un proceso de captura de CO2 postcombustión, la concentración de CO2 en 15 el gas a separar puede estar comprendida entre un 3 y un 33 %, dependiendo de la fuente que origina dicha corriente: turbina de gas (3-4 %), caldera de gas natural (7-10 %), caldera de carbón pulverizado (12-14 %), industria metalúrgica (20-27 %), industria cementera (14-33 %). (IPCC, 2005: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage). Typically, in a post-combustion CO2 capture process, the concentration of CO2 in the gas to be separated can be between 3 and 33%, depending on the source that originates the current: gas turbine (3-4%) , natural gas boiler (7-10%), pulverized coal boiler (12-14%), metallurgical industry (20-27%), cement industry (14-33%). (IPCC, 2005: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage).
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En una realización particular de la invención, el contacto del paso (a) se lleva a cabo a una temperatura comprendida entre 15 y 70 °C y a una presión comprendida entre 100 y 300 kPa. Preferentemente la temperatura está comprendida entre 20 y 50 °C y la presión está comprendida entre 100 y 150 kPa. In a particular embodiment of the invention, the contact of step (a) is carried out at a temperature between 15 and 70 ° C and at a pressure between 100 and 300 kPa. Preferably the temperature is between 20 and 50 ° C and the pressure is between 100 and 150 kPa.
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El experto en la materia conocerá que la cantidad de adsorbente necesaria para alcanzar un determinado objetivo de captura de CO2 depende de la capacidad de trabajo del adsorbente en las condiciones de operación para una determinada configuración de ciclo y unas determinadas condiciones de la alimentación (temperatura, presión y composición). The person skilled in the art will know that the amount of adsorbent necessary to achieve a certain CO2 capture objective depends on the adsorbent's working capacity under the operating conditions for a given cycle configuration and certain feeding conditions (temperature, pressure and composition).
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La selectividad, ya sea cinética o de equilibrio, es fundamental para poder llevar a cabo la separación de una mezcla de gases mediante adsorción. The selectivity, whether kinetic or equilibrium, is essential to carry out the separation of a gas mixture by adsorption.
La selectividad de equilibrio de un adsorbente hacia un compuesto presente en una mezcla de gases se define como el cociente entre las cantidades adsorbidas a una determinada 35 presión parcial en la fase gas, dividido por el cociente entre dichas presiones parciales: The equilibrium selectivity of an adsorbent towards a compound present in a gas mixture is defined as the ratio between the amounts adsorbed at a given partial pressure in the gas phase, divided by the ratio between said partial pressures:
S1/2=(q1/q2)/(p1/p2), donde qi representa la cantidad adsorbida del compuesto i y p la presión parcial de i en la fase gas. S1 / 2 = (q1 / q2) / (p1 / p2), where qi represents the adsorbed amount of compound i and p the partial pressure of i in the gas phase.
En un ejemplo de realización, partiendo de un lecho regenerado y lleno de helio, y para una alimentación con un 15 % CO2 (balance N2) a 50 °C y 130 kPa el material adsorbente de la 5 invención presenta una capacidad de adsorción de 0,68 mmol CO2 y 0,14 mmol N2 por g de material adsorbente, resultando una selectividad de: 27. In an exemplary embodiment, starting from a regenerated bed full of helium, and for a feed with 15% CO2 (balance N2) at 50 ° C and 130 kPa the adsorbent material of the invention has an adsorption capacity of 0 , 68 mmol CO2 and 0.14 mmol N2 per g of adsorbent material, resulting in a selectivity of: 27.
En otro ejemplo de realización, partiendo de un lecho regenerado y lleno de N2, y para una alimentación con un 16 % CO2 (balance N2) a 21 °C y 130 kPa, el material adsorbente de la 10 invención presenta una capacidad de adsorción de 1,3 mmol de CO2 por g de material adsorbente. In another exemplary embodiment, starting from a regenerated bed full of N2, and for a feed with 16% CO2 (N2 balance) at 21 ° C and 130 kPa, the adsorbent material of the invention has an adsorption capacity of 1.3 mmol of CO2 per g of adsorbent material.
Por “regeneración” se entiende el proceso por el que se consigue recuperar el CO2 previamente retenido por el material adsorbente de la invención, y conseguir así que dicho 15 material vuelva a ser activo en la captura de CO2 durante el siguiente ciclo. By "regeneration" is meant the process by which it is possible to recover the CO2 previously retained by the adsorbent material of the invention, and thus achieve said material to be active again in the capture of CO2 during the next cycle.
En un aspecto particular de la invención, la regeneración de la etapa (b) se lleva a cabo por un procedimiento seleccionado de entre, calentamiento a presión aproximadamente constante (TSA), disminución de la presión del sistema a temperatura aproximadamente 20 constante (PSA y/o VSA), o mediante una combinación de ambos procedimientos. In a particular aspect of the invention, the regeneration of step (b) is carried out by a process selected from, heating at approximately constant pressure (TSA), decrease in system pressure at approximately constant temperature (PSA and / or VSA), or by a combination of both procedures.
En una realización particular de la invención, la regeneración se lleva a cabo por un procedimiento TSA a una temperatura comprendida entre 50 y 150 ˚C. In a particular embodiment of the invention, the regeneration is carried out by a TSA process at a temperature between 50 and 150 ° C.
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Es conocido para el experto en la materia que los gases de chimenea se encuentran a una presión próxima a la atmosférica, y que debido a su elevado volumen, no resulta económico comprimirlos, por lo que un proceso de separación por adsorción mediante oscilación de presión (PSA) tendría que operar entre una presión ligeramente superior a la atmosférica y una presión subatmosférica, que ha de ser inferior a la presión parcial del CO2 en la 30 corriente de alimentación. Este proceso se conoce como Vacuum Swing Adsorption, o VSA. Además, el experto en la materia también sabrá que más del 70 % de la energía consumida en un proceso VSA se debe a la bomba de vacío por lo que la presión de evacuación ha de ser lo mayor posible para reducir el consumo energético del proceso. It is known to the person skilled in the art that chimney gases are at a pressure close to atmospheric, and that due to their high volume, it is not economical to compress them, so that a process of separation by adsorption by pressure oscillation ( PSA) would have to operate between a slightly higher atmospheric pressure and a subatmospheric pressure, which must be lower than the partial pressure of CO2 in the feed stream. This process is known as Vacuum Swing Adsorption, or VSA. In addition, the person skilled in the art will also know that more than 70% of the energy consumed in a VSA process is due to the vacuum pump, so the evacuation pressure must be as high as possible to reduce the energy consumption of the process.
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En una realización particular de la invención la regeneración se lleva a cabo por un procedimiento VSA hasta una presión que ha de ser inferior a la presión parcial del CO2 en la alimentación, preferiblemente entre 10 y 1 kPa. In a particular embodiment of the invention the regeneration is carried out by a VSA process until a pressure that is to be lower than the partial pressure of the CO2 in the feed, preferably between 10 and 1 kPa.
El material adsorbente de la invención presenta un calor isostérico de adsorción de CO2 5 inferior a 30 kJ mol-1, típico de procesos de fisisorción. Como el experto en la materia conocerá, estos valores son inferiores a otros adsorbentes de CO2, como las zeolitas, algunos MOFs, y muy inferiores a sorbentes impregnados con aminas (quimisorción). Este hecho es altamente deseable, ya que implicará un consumo energético menor para llevar a cabo la regeneración en el caso de un proceso TSA, o en un proceso PSA o VSA. Los 10 efectos térmicos, que tienden a reducir la productividad del adsorbente, también serán menores. The adsorbent material of the invention has an isostatic heat of adsorption of CO2 5 less than 30 kJ mol-1, typical of fisisorption processes. As the person skilled in the art will know, these values are lower than other CO2 adsorbents, such as zeolites, some MOFs, and much lower than sorbents impregnated with amines (chemisorption). This fact is highly desirable, since it will imply a lower energy consumption to carry out the regeneration in the case of a TSA process, or in a PSA or VSA process. The 10 thermal effects, which tend to reduce the productivity of the adsorbent, will also be lower.
En otra realización particular de la invención, la regeneración se lleva a cabo mediante un procedimiento combinado TSA/VSA a una presión por debajo de la presión parcial del CO2 15 en la corriente de alimentación, preferiblemente entre 10 y 1 kPa, y a una temperatura superior a la de la etapa de adsorción, preferiblemente comprendida entre 50 y 100 ˚C. El experto en la materia conocerá que la acción conjunta de vacío y calor permite realizar una regeneración más eficiente, mejorando la recuperación y la productividad del proceso, o bien reducir los requerimientos energéticos del proceso, ya sea reduciendo el nivel de vacío 20 necesario para lograr una regeneración suficiente, o bien reduciendo la temperatura de regeneración gracias a la acción coadyuvante del vacío. In another particular embodiment of the invention, the regeneration is carried out by a combined TSA / VSA procedure at a pressure below the partial pressure of CO2 15 in the feed stream, preferably between 10 and 1 kPa, and at a higher temperature to that of the adsorption stage, preferably between 50 and 100 ° C. The person skilled in the art will know that the combined action of vacuum and heat allows a more efficient regeneration, improving the recovery and productivity of the process, or reducing the energy requirements of the process, either reducing the level of vacuum 20 necessary to achieve sufficient regeneration, or by reducing the regeneration temperature thanks to the auxiliary action of the vacuum.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra comprende y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, componentes o pasos. Para los expertos en 25 la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Throughout the description and the claims the word comprises and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will be derived partly from the description and partly from the practice of the invention. The following examples and drawings are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
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Breve descripción de las figuras Brief description of the figures
Figura 1. Isotermas de equilibrio de adsorción de CO2 y N2 a 25 °C. Obtenidas en un equipo de adsorción volumétrico entre 0,1 y 120 kPa para el material adsorbente de la invención (en adelante PPC). Figure 1. Adsorption equilibrium isotherms of CO2 and N2 at 25 ° C. Obtained in a volumetric adsorption equipment between 0.1 and 120 kPa for the adsorbent material of the invention (hereinafter PPC).
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Figura 2. Isotermas de equilibrio de adsorción de CO2 y N2 a 50 °C. Obtenidas en un equipo de adsorción volumétrico entre 0,1 y 120 kPa para PPC y un carbón activado comercializado para la adsorción de CO2 (Norit R 2030 CO2). Figure 2. Adsorption equilibrium isotherms of CO2 and N2 at 50 ° C. Obtained in a volumetric adsorption equipment between 0.1 and 120 kPa for PPC and an activated carbon marketed for CO2 adsorption (Norit R 2030 CO2).
Figura 3. Curvas de ruptura de N2 y CO2 a 50 °C. Experimento de adsorción dinámico 5 realizado sobre un lecho de PPC (3,5 g) regenerado e inicialmente lleno de helio, alimentando una mezcla (2,7 mmol min-1) con una composición similar a la de los gases de chimenea (15 % CO2, balance N2) a 50 °C y 130 kPa. Figure 3. Breaking curves of N2 and CO2 at 50 ° C. Dynamic adsorption experiment 5 performed on a bed of PPC (3.5 g) regenerated and initially filled with helium, feeding a mixture (2.7 mmol min-1) with a composition similar to that of chimney gases (15% CO2, balance N2) at 50 ° C and 130 kPa.
Figura 4. Curva de ruptura de CO2 a temperatura ambiente. Experimento de adsorción 10 dinámico realizado sobre un lecho de PPC (3,5 g) regenerado e inicialmente lleno de nitrógeno, cuando se alimenta una mezcla (4,5 mmol min-1) con una composición similar a la de los gases de chimenea (16 % CO2, balance N2) a 130 kPa y temperatura ambiente (21 °C). Figure 4. CO2 breakage curve at room temperature. Dynamic adsorption experiment 10 performed on a bed of PPC (3.5 g) regenerated and initially filled with nitrogen, when a mixture (4.5 mmol min-1) is fed with a composition similar to that of chimney gases ( 16% CO2, balance N2) at 130 kPa and room temperature (21 ° C).
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Figura 5. Regeneración. Desorción de CO2 del lecho de PPC previamente saturado con 16 % CO2 (balance N2) a 130 kPa y 21°C (Figura 4), alimentando una purga de 0,07mmol min-1 de N2 y calentando el lecho desde el exterior. Figure 5. Regeneration. CO2 desorption of the previously saturated PPC bed with 16% CO2 (N2 balance) at 130 kPa and 21 ° C (Figure 4), feeding a 0.07mmol min-1 purge of N2 and heating the bed from the outside.
Figura 6. Proceso VSA de tres etapas (adsorción + evacuación + represurización). El 20 ciclo, llevado a cabo con un lecho de 3,5 g de PPC, y una alimentación de 2,7 mmol min-1 con un 13 % CO2 (balance N2) opera a una temperatura aproximadamente constante de 50 °C y su presión oscila entre una presión máxima de 130 kPa (etapa de adsorción) y una presión mínima de 4 kPa (etapa de evacuación). Se muestra la presión y los caudales molares de CO2 y de N2 que abandonan el adsorbedor una vez alcanzado el estado cíclico 25 estacionario durante la etapa adsorción (a) y durante la etapa de regeneración a vacío (b). Figure 6. Three-stage VSA process (adsorption + evacuation + repressurization). The cycle, carried out with a bed of 3.5 g of PPC, and a feed of 2.7 mmol min-1 with 13% CO2 (N2 balance) operates at an approximately constant temperature of 50 ° C and its Pressure ranges between a maximum pressure of 130 kPa (adsorption stage) and a minimum pressure of 4 kPa (evacuation stage). The pressure and molar flow rates of CO2 and N2 that leave the adsorber after the steady-state cyclic state 25 during the adsorption stage (a) and during the vacuum regeneration stage (b) are shown.
Figura 7. Proceso VSA de cuatro etapas (adsorción + purga con CO2 + evacuación + represurización). El ciclo, llevado a cabo con un lecho de 3,5 g de PPC, y una alimentación de 2,7 mmol min-1 con un 13 % CO2 (balance N2), opera a una temperatura 30 aproximadamente constante de 50 °C y su presión oscila entre una presión máxima de 130 kPa (etapa de adsorción) y una presión mínima de 10 kPa (etapa de evacuación). Se muestra la presión y los caudales molares de CO2 y de N2 que abandonan el adsorbedor una vez alcanzado el estado cíclico estacionario durante la etapa de purga con CO2 (a) y durante la etapa de evacuación (b). 35 Figure 7. Four-stage VSA process (adsorption + purging with CO2 + evacuation + repressurization). The cycle, carried out with a bed of 3.5 g of PPC, and a feeding of 2.7 mmol min-1 with 13% CO2 (N2 balance), operates at an approximately constant temperature of 50 ° C and its pressure ranges between a maximum pressure of 130 kPa (adsorption stage) and a minimum pressure of 10 kPa (evacuation stage). The pressure and molar flow rates of CO2 and N2 that leave the adsorber are shown once the stationary cyclic state is reached during the CO2 purge stage (a) and during the evacuation stage (b). 35
Figura 8. Proceso combinado VSA/TSA (VTSA) de seis etapas (adsorción + purga con CO2 + evacuación hasta 20 kPa + evacuación hasta 10 kPa con calentamiento hasta 70 °C + purga con N2 + represurización). El ciclo se ha llevado a cabo con un lecho de 3,5 g de PPC y una alimentación de 2,7 mmol min-1 con un 13 % CO2 (balance N2) a 50 ˚C y 130 kPa. Se muestra la presión, la temperatura y los caudales molares de CO2 y de N2 que 5 abandonan el adsorbedor una vez alcanzado el estado cíclico estacionario durante las etapas de producción, (a) etapa de evacuación a 10 kPa con calentamiento simultáneo hasta 70 °C y (b) etapa de enfriamiento a 50 °C con purga de N2 a 10 kPa. Figure 8. Six-stage VSA / TSA (VTSA) combined process (adsorption + purging with CO2 + evacuation up to 20 kPa + evacuation up to 10 kPa with heating up to 70 ° C + purging with N2 + repressurization). The cycle has been carried out with a bed of 3.5 g of PPC and a feed of 2.7 mmol min-1 with 13% CO2 (N2 balance) at 50 ˚C and 130 kPa. The pressure, temperature and molar flow rates of CO2 and N2 are shown that leave the adsorber once the steady-state cyclic state is reached during the production stages, (a) evacuation stage at 10 kPa with simultaneous heating up to 70 ° C and (b) cooling stage at 50 ° C with purging of N2 at 10 kPa.
Ejemplos de realización 10 Embodiment Examples 10
A. Proceso de obtención del material adsorbente de la invención A. Process for obtaining the adsorbent material of the invention
Ejemplo 1. Procedimiento de obtención de PPC Example 1. Procedure for obtaining PPC
En primer lugar, un residuo de café procedente de cápsulas de Nespresso® usadas, se secó en una estufa de convección forzada a 100 °C durante 4 h para eliminar el exceso de humedad. 15 First, a coffee residue from used Nespresso® capsules was dried in a forced convection oven at 100 ° C for 4 h to remove excess moisture. fifteen
El residuo de café secó se caracteriza por tener un tamaño de partícula inferior a 1 mm, con una fracción mayoritaria entre 212 y 425 μm. The dried coffee residue is characterized by having a particle size of less than 1 mm, with a majority fraction between 212 and 425 μm.
Este material, que de ahora en adelante denominaremos C, se conformó utilizando una 20 peletizadora (o pastilladora) de sobremesa, accionada mediante un volante de fuerza, cuya máxima fuerza de impulsión es de 15 kN, y que permite obtener pellets (o pastillas) de diámetro comprendido entre 2 y 10 mm y con una altura máxima de 11 mm. En el presente ejemplo de realización se obtuvieron pellets cilíndricos de 4 mm de diámetro por 3 mm de altura, que denominaremos PC. 25 This material, which we will call C from now on, was formed using a desktop pelletizer (or pill), operated by means of a force flywheel, whose maximum driving force is 15 kN, and which allows to obtain pellets (or pellets) of diameter between 2 and 10 mm and with a maximum height of 11 mm. In the present embodiment, cylindrical pellets 4 mm in diameter and 3 mm high were obtained, which we will call PC. 25
Una vez conformados, se procedió a llevar a cabo la activación de los pellets de residuo de café (PC). Para ello, 40 g de PC fueron introducidos en un reactor de cuarzo de doble pared (D.I. 3,9 cm) de modo que el sólido formase un lecho fijo en su interior que fuese atravesado por el gas de alimentación, CO2 puro con una velocidad superficial de 0,005 m s-1. El reactor 30 fue introducido en un horno tubular vertical y calentado a una velocidad de calentamiento de 5 °C min-1 hasta alcanzar 700 ˚C, temperatura que se mantuvo durante 8 h. Once formed, the activation of the coffee residue pellets (PC) was carried out. For this, 40 g of PC were introduced into a double-walled quartz reactor (ID 3.9 cm) so that the solid formed a fixed bed inside that was passed through the feed gas, pure CO2 with a velocity surface area of 0.005 m s-1. The reactor 30 was introduced in a vertical tubular furnace and heated at a heating rate of 5 ° C min-1 until reaching 700 ,C, a temperature that was maintained for 8 h.
El adsorbente resultante del proceso de activación, (PPC), presentó menor tamaño que PC, debido a la pérdida de materia volátil, que hace que el pellet se contraiga, aunque preservó 35 su integridad y conservó su forma cilíndrica. The adsorbent resulting from the activation process, (PPC), had a smaller size than PC, due to the loss of volatile matter, which causes the pellet to contract, although it retained its integrity and retained its cylindrical shape.
Ejemplo 2. Procedimiento de obtención de CC Example 2. Procedure for obtaining CC
3 g de pellets de residuo de café postconsumo (PC) obtenidos mediante conformado del residuo de café postconsumo (C) según el Ejemplo 1 fueron introducidos en un reactor de cuarzo de doble pared (D.I. 2 cm). El reactor fue introducido en un horno tubular vertical y 5 calentado a 5 ˚C min-1 hasta 700 ˚C con una corriente de CO2 puro (velocidad superficial de 0,005 m s-1), manteniendo estas condiciones durante 6 h. 3 g of pellets of post-consumer coffee residue (PC) obtained by forming the post-consumer coffee residue (C) according to Example 1 were introduced into a double-walled quartz reactor (D.I. 2 cm). The reactor was introduced in a vertical tubular furnace and 5 heated at 5 minC min-1 to 700 ˚C with a stream of pure CO2 (surface speed of 0.005 m s-1), maintaining these conditions for 6 h.
El adsorbente resultante del proceso de activación, denominado de ahora en adelante CC, presentó menor tamaño que los pellets de partida, PC, debido a la pérdida de materia volátil, 10 aunque preservó su integridad y su forma cilíndrica. The adsorbent resulting from the activation process, hereinafter referred to as CC, was smaller than the starting pellets, PC, due to the loss of volatile matter, 10 although it retained its integrity and its cylindrical shape.
Ejemplo 3. Procedimiento de obtención de CNC Example 3. Procedure for obtaining CNC
3 g de residuo de café postconsumo procedente de cápsulas de Nespresso® usadas (C) fueron activados siguiendo el protocolo detallado en el Ejemplo 2. 15 3 g of post-consumer coffee residue from used Nespresso® capsules (C) were activated following the protocol detailed in Example 2. 15
El material resultante de la activación, denominado de ahora en adelante CNC, presenta carácter pulverulento, con un tamaño de partícula más fino que el residuo de café postconsumo de partida (C), y no puede ser conformado por simple compactación mediante presión sin la ayuda de ligantes siguiendo el protocolo descrito en el Ejemplo 1. 20 The material resulting from the activation, hereinafter referred to as CNC, has a powdery character, with a particle size finer than the initial post-consumption coffee residue (C), and cannot be formed by simple compaction by pressure without the aid of binders following the protocol described in Example 1. 20
B. Material adsorbente de la invención B. Adsorbent material of the invention
Ejemplo 4. Caracterización de PPC Example 4. Characterization of PPC
4.1. Densidad 4.1. Density
Se denomina densidad aparente (o densidad de partícula) a la densidad envolvente de la 25 partícula (incluye el volumen ocupado por la porosidad intraparticular). La densidad aparente de PPC se determinó mediante intrusión de mercurio a 0,1 MPa en un equipo automático AUTOPORE IV 9500 de Micromeritics: 0,743 g cm-3. The bulk density of the particle (called the volume occupied by the intraparticular porosity) is called bulk density (or particle density). The apparent density of PPC was determined by mercury intrusion at 0.1 MPa in an automatic Micromeritics AUTOPORE IV 9500: 0.743 g cm-3.
La densidad de PPC se estimó también de forma individual para 10 pellets escogidos al azar 30 a partir de su volumen geométrico y de la masa del pellet seco (ver Tabla 1). La densidad de partícula estimada de esta forma está muy próxima a la densidad aparente determinada por intrusión de mercurio, lo que da una idea de la homogeneidad del adsorbente obtenido. The density of PPC was also estimated individually for 10 pellets chosen at random 30 from their geometric volume and the mass of the dry pellet (see Table 1). The particle density estimated in this way is very close to the apparent density determined by mercury intrusion, which gives an idea of the homogeneity of the adsorbent obtained.
35 35
Tabla 1. Características principales de los pellets del material adsorbente obtenidos por el procedimiento de la invención Table 1. Main characteristics of the adsorbent material pellets obtained by the process of the invention
- Pellet # (PPC) Pellet # (PPC)
- Diámetro (mm) Altura (mm) Masa (g) Densidada (g cm-3) Diameter (mm) Height (mm) Mass (g) Densidated (g cm-3)
- 1 one
- 2,7 1,8 0,0078 0,757 2.7 1.8 0.0078 0.757
- 2 2
- 2,7 2,1 0,0095 0,790 2.7 2.1 0.0095 0.790
- 3 3
- 2,6 1,8 0,0076 0,795 2.6 1.8 0.0076 0.795
- 4 4
- 2,7 1,9 0,0077 0,708 2.7 1.9 0.0077 0.708
- 5 5
- 2,7 1,8 0,0077 0,747 2.7 1.8 0.0077 0.747
- 6 6
- 2,7 1,7 0,0072 0,740 2.7 1.7 0.0072 0.740
- 7 7
- 2,6 1,9 0,0080 0,793 2.6 1.9 0.0080 0.793
- 8 8
- 2,6 2,1 0,0087 0,780 2.6 2.1 0.0087 0.780
- 9 9
- 2,7 1,8 0,0081 0,786 2.7 1.8 0.0081 0.786
- 10 10
- 2,7 1,9 0,0083 0,763 2.7 1.9 0.0083 0.763
- Promedio Average
- 2,7 1,9 0,0081 0,766 ± 0,028 2.7 1.9 0.0081 0.766 ± 0.028
aCalculada a partir del volumen geométrico y la masa del pellet seco. a Calculated from the geometric volume and mass of the dry pellet.
El experto en la materia conocerá que la densidad de empaquetamiento incluye, además de 5 la porosidad intraparticular, el volumen vacío entre las partículas que configuran un lecho. Este valor depende del tamaño y forma de las partículas, así como del tamaño y forma del lecho y de la forma en la que se realiza el empaquetamiento. The person skilled in the art will know that the packing density includes, in addition to the intraparticular porosity, the empty volume between the particles that make up a bed. This value depends on the size and shape of the particles, as well as the size and shape of the bed and the way in which the packing is performed.
La densidad compactada de PPC se determinó con ayuda de un analizador automático 10 Autotap de Quantachrome, utilizando una probeta de 10 ml, midiendo la masa de adsorbente cargado en la probeta y su volumen tras haber sido compactado (>600 golpes: hasta que el volumen permaneció constante). Esta medida arrojó un resultado de 0,421 g cm-3. The compacted density of PPC was determined with the help of an automatic Quantachrome 10 Autotap analyzer, using a 10 ml specimen, measuring the mass of adsorbent loaded in the specimen and its volume after being compacted (> 600 strokes: until the volume remained constant). This measure yielded a result of 0.421 g cm-3.
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Los valores de densidad obtenidos para los pellets de material adsorbente de la invención fueron considerables, algo especialmente deseable de cara a disminuir el volumen de adsorbente necesario para una determinada aplicación. The density values obtained for the pellets of adsorbent material of the invention were considerable, something especially desirable in order to reduce the volume of adsorbent necessary for a given application.
4.2. Caracterización textural 20 4.2. Textural characterization 20
El volumen total de microporos de PPC se estimó por el método Dubinin-Radushkevich aplicado a la isoterma de adsorción de N2 a -196 °C y fue de 0,21 cm3 g-1. El tamaño medio de microporo fue calculado mediante la ecuación de Stoeckli-Ballerini aplicada a la isoterma The total micropore volume of PPC was estimated by the Dubinin-Radushkevich method applied to the adsorption isotherm of N2 at -196 ° C and was 0.21 cm3 g-1. The average micropore size was calculated using the Stoeckli-Ballerini equation applied to the isotherm
de adsorción de N2 a -196 °C, y fue de 1,0 nm; La superficie BET, aplicada a la isoterma de adsorción de N2 a -196 °C fue de 507 m2 g-1; el volumen total de poros, calculado a partir de la isoterma de adsorción de N2 a -196 °C, como la cantidad de N2 adsorbido a una presión parcial de 0,99 fue de 0,21 cm3 g-1; el volumen de microporos estrechos, calculado por el método Dubinin-Radushkevich aplicado a la isoterma de adsorción de CO2 a 0 °C, fue de 5 0,23 cm3 g-1 y el tamaño medio de los microporos estrechos, calculado mediante la ecuación de Stoeckli-Ballerini aplicada a la isoterma de adsorción de CO2 a 0 °C, fue de 0,5 nm. adsorption of N2 at -196 ° C, and was 1.0 nm; The BET surface, applied to the adsorption isotherm of N2 at -196 ° C, was 507 m2 g-1; the total pore volume, calculated from the adsorption isotherm of N2 at -196 ° C, as the amount of N2 adsorbed at a partial pressure of 0.99 was 0.21 cm3 g-1; The volume of narrow micropores, calculated by the Dubinin-Radushkevich method applied to the CO2 adsorption isotherm at 0 ° C, was 5 0.23 cm3 g-1 and the average size of the narrow micropores, calculated using the equation of Stoeckli-Ballerini applied to the CO2 adsorption isotherm at 0 ° C, was 0.5 nm.
El volumen de microporos coincidió con el volumen total de poros, ambos calculados a partir de la adsorción de N2 a -196 °C, lo que indica que el material adsorbente de la invención es 10 estrictamente microporoso. The volume of micropores coincided with the total pore volume, both calculated from the adsorption of N2 at -196 ° C, which indicates that the adsorbent material of the invention is strictly microporous.
4.3. Comparación de PPC con otros materiales adsorbentes 4.3. Comparison of PPC with other adsorbent materials
El estado de la técnica reporta carbones activados que muestran valores de densidad aparente inferiores a los de PPC. Por ejemplo, el carbón activado comercial Norit C GRAN, 15 obtenido por activación de madera con ácido fosfórico, así como los carbones activados AC1 y AC2 usados como ejemplo en la patente US2010/0242728 para la adsorción de CO2 (ver Tabla 2). El documento US2010/0242728 también indica los valores de densidad aparente de un carbón vegetal y de un carbón bituminoso, claramente inferiores a los del material adsorbente de la invención (ver Tabla 2). 20 The state of the art reports activated carbons that show apparent density values lower than those of PPC. For example, the commercial activated carbon Norit C GRAN, 15 obtained by activation of wood with phosphoric acid, as well as the activated carbons AC1 and AC2 used as an example in US2010 / 0242728 for the adsorption of CO2 (see Table 2). US2010 / 0242728 also indicates the apparent density values of a charcoal and a bituminous coal, clearly lower than those of the adsorbent material of the invention (see Table 2). twenty
Norit R 2030 CO2, empleado comercialmente en la adsorción de CO2, y que se obtiene por activación de turba con vapor de agua a 900 ˚C (extrusionado de 3 mm de diámetro) tiene una densidad, según datos aportados por el fabricante, de 0,560 g cm-3. Este valor corresponde a la densidad de empaquetamiento (determinada a partir de la masa que ocupa 25 un determinado volumen de carbón activado según una norma interna). Este valor depende del método utilizado para su determinación, por lo que para poder comparar la densidad de empaquetamiento de este adsorbente con el valor de PPC, se obtuvo una medida de la densidad compactada según el procedimiento descrito en el Ejemplo 2, obteniendo un valor de 0,476 g cm-3, no muy alejado del de PPC (ver Tabla 2). Asimismo, el valor de densidad 30 aparente (o de partícula), determinado mediante intrusión de mercurio a 0,1 MPa para este adsorbente comercial también se muestra en la Tabla 2 con fines comparativos. La densidad aparente de este material es la más elevada de entre todos los materiales mostrados en la Tabla 2, seguida por el adsorbente PPC, que ocupa el segundo lugar. Norit R 2030 CO2, used commercially in the adsorption of CO2, and which is obtained by activating peat with steam at 900 ˚C (extruded 3 mm in diameter) has a density, according to data provided by the manufacturer, of 0.560 g cm-3. This value corresponds to the packing density (determined from the mass that occupies a certain volume of activated carbon according to an internal standard). This value depends on the method used for its determination, so that in order to compare the packing density of this adsorbent with the PPC value, a compacted density measurement was obtained according to the procedure described in Example 2, obtaining a value of 0.476 g cm-3, not far from that of PPC (see Table 2). Likewise, the bulk (or particle) density value, determined by mercury intrusion at 0.1 MPa for this commercial adsorbent is also shown in Table 2 for comparative purposes. The bulk density of this material is the highest among all the materials shown in Table 2, followed by the PPC adsorbent, which occupies the second place.
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Tabla 2. Densidad de distintos materiales carbonosos Table 2. Density of different carbonaceous materials
- Adsorbentes Adsorbents
- Densidad (g cm-3) Density (g cm-3)
- Norit C GRAN Norit C GRAN
- 0,400a / 0,230b 0.400a / 0.230b
- Norit R 2030 CO2 Norit R 2030 CO2
- 0,850a / 0,560b / 0.476c 0.850a / 0.560b / 0.476c
- PPC PPC
- 0,743a / 0,421c 0.743a / 0.421c
- AC1d AC1d
- 0,520 0.520
- AC2d AC2d
- 0,390 0.390
- Carbón vegetal d Charcoal d
- 0,450 0.450
- Carbón bituminosod Bituminosod coal
- 0,640 0.640
aDensidad aparente medida por intrusión de mercurio a 0,1MPa; bDensidad de empaquetamiento facilitada por el productor; cDensidad de empaquetamiento medida según Ejemplo 2; dUS2010/0242728 a Apparent density measured by mercury intrusion at 0.1MPa; b Packaging density provided by the producer; c Packaging density measured according to Example 2; dUS2010 / 0242728
5 5
El carbón activado comercial Norit C GRAN, obtenido por activación de madera con ácido fosfórico, es un carbón con un elevado volumen total de poros, pero con una distribución muy ancha de la porosidad: contiene un elevado volumen de meso y macroporos; el volumen de microporos tan sólo representa el 53 % del volumen total de poros (ver Tabla 3). Estas características lo hacen adecuado para aplicaciones de adsorción de compuestos 10 orgánicos de elevada masa molecular, como colorantes o proteínas. Por otro lado, el carbón activado Norit R 2030 CO2, que se utiliza comercialmente para la eliminación de CO2 en almacenes refrigerados de fruta, presenta un volumen total de poros significativamente menor que el de Norit C GRAN. El 90 % de este volumen está formado por microporos (que como el experto en la materia sabe, son los responsables de la adsorción de CO2 a bajas 15 presiones) y además, el tamaño medio de los mismos es considerablemente menor (ver Tabla 3). El adsorbente de la invención, PPC, presenta menor volumen total de poros que los carbones activados comerciales mostrados en la Tabla 3. Sin embargo, el volumen de microporos estrechos de PPC, calculado a partir de la isoterma de adsorción de CO2 a 0 °C, es superior. Asimismo, el tamaño medio de los microporos, también es menor que el de los 20 carbones activados comerciales mostrados como referencia. Norit C GRAN commercial activated carbon, obtained by activating wood with phosphoric acid, is a coal with a high total pore volume, but with a very wide distribution of porosity: it contains a high volume of meso and macropores; The micropore volume represents only 53% of the total pore volume (see Table 3). These characteristics make it suitable for adsorption applications of organic compounds of high molecular mass, such as dyes or proteins. On the other hand, Norit R 2030 CO2 activated carbon, which is used commercially for the removal of CO2 in refrigerated fruit stores, has a significantly smaller total pore volume than Norit C GRAN. 90% of this volume is made up of micropores (which as the person skilled in the art knows, are responsible for the adsorption of CO2 at low pressures) and also, the average size of them is considerably smaller (see Table 3) . The adsorbent of the invention, PPC, has a smaller total pore volume than the commercial activated carbons shown in Table 3. However, the narrow micropore volume of PPC, calculated from the CO2 adsorption isotherm at 0 ° C , Is superior. Likewise, the average micropore size is also smaller than that of the 20 commercial activated carbons shown as a reference.
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Tabla 3. Parámetros de caracterización textural de varios materiales adsorbente Table 3. Textural characterization parameters of various adsorbent materials
- Adsorbente Adsorbent
- Adsorción de N2 a -196˚C Adsorción de CO2 a 0˚C Adsorption of N2 at -196˚C Adsorption of CO2 at 0˚C
- Vp (cm3 g-1) Vp (cm3 g-1)
- SBET (m2 g-1) VDR,N2 (cm3 g-1) LN2 (nm) VDR,CO2 (cm3 g-1) LCO2 (nm) SBET (m2 g-1) VDR, N2 (cm3 g-1) LN2 (nm) VDR, CO2 (cm3 g-1) LCO2 (nm)
- Norit C Granular Norit C Granular
- 0,97 1361 0,51 2,9 0,19 0,7 0.97 1361 0.51 2.9 0.19 0.7
- Norit R2030CO2 Norit R2030CO2
- 0,41 983 0,37 1,1 0,17 0,6 0.41 983 0.37 1.1 0.17 0.6
- PPC PPC
- 0,21 507 0,21 1,0 0,23 0,5 0.21 507 0.21 1.0 0.23 0.5
VDR,N2: volumen de microporos calculado por el método Dubinin-Radushkevich aplicado a la isoterma de adsorción de N2 a -196°C; LN2: tamaño medio de microporo calculado mediante la ecuación de Stoeckli-Ballerini; SBET: superficie BET; Vp: volumen total de poros calculado a partir de la cantidad de N2 adsorbido a una presión parcial de 0,99; VDR,CO2: volumen de microporos estrechos calculado por 5 el método Dubinin-Radushkevich aplicado a la isoterma de adsorción de CO2 a 0°C; (LCO2): tamaño medio de los microporos estrechos calculado mediante la ecuación de Stoeckli-Ballerini VDR, N2: micropore volume calculated by the Dubinin-Radushkevich method applied to the adsorption isotherm of N2 at -196 ° C; LN2: average micropore size calculated using the Stoeckli-Ballerini equation; SBET: BET surface; Vp: total pore volume calculated from the amount of N2 adsorbed at a partial pressure of 0.99; VDR, CO2: narrow micropore volume calculated by 5 the Dubinin-Radushkevich method applied to the CO2 adsorption isotherm at 0 ° C; (LCO2): average size of narrow micropores calculated using the Stoeckli-Ballerini equation
Ejemplo 5. Efecto del conformado en el desarrollo textural del adsorbente de la invención Example 5. Effect of forming in the textural development of the adsorbent of the invention
El adsorbente CC, obtenido a partir de la activación del residuo de café postconsumo 10 conformado (ver Ejemplo 2) presenta mayor volumen total de poros y superficie específica (ver Tabla 4) que el adsorbente CNC, obtenido a partir del residuo de café postconsumo sin conformar (ver Ejemplo 3). Un mayor desarrollo textural es beneficioso para la aplicación de los materiales como adsorbentes, ya que mejora tanto la capacidad de adsorción como la cinética del proceso de adsorción. Además, ambos materiales son esencialmente 15 microporosos (el volumen de microporos, VDR,N2, representa al menos el 95 % del volumen total de poros), y el tamaño medio de microporo es menor para el material conformado (CC), lo que es deseable para maximizar la adsorción de CO2 a bajas presiones parciales. The CC adsorbent, obtained from the activation of the formed post-consumer coffee residue 10 (see Example 2) has a greater total pore volume and specific surface area (see Table 4) than the CNC adsorbent, obtained from the post-consumer coffee residue without conform (see Example 3). Greater textural development is beneficial for the application of materials as adsorbents, since it improves both the adsorption capacity and the kinetics of the adsorption process. In addition, both materials are essentially 15 microporous (the volume of micropores, VDR, N2, represents at least 95% of the total pore volume), and the average micropore size is smaller for the shaped material (CC), which is desirable to maximize CO2 adsorption at low partial pressures.
Tabla 4. Parámetros de caracterización textural de dos adsorbentes obtenidos a partir de 20 residuo de café Table 4. Textural characterization parameters of two adsorbents obtained from 20 coffee residue
- Adsorbente Adsorbent
- Adsorción de N2 a -196˚C Adsorption of N2 at -196˚C
- Vp (cm3 g-1) Vp (cm3 g-1)
- SBET (m2 g-1) VDR,N2 (cm3 g-1) LN2 (nm) SBET (m2 g-1) VDR, N2 (cm3 g-1) LN2 (nm)
- Adsorbente CC (Ejemplo 2 ) CC Adsorbent (Example 2)
- 0,21 491 0,20 0,8 0.21 491 0.20 0.8
- Adsorbente CNC (Ejemplo 3) CNC Adsorbent (Example 3)
- 0,15 378 0,14 0,9 0.15 378 0.14 0.9
C. Uso del material adsorbente de la invención para la adsorción de CO2 C. Use of the adsorbent material of the invention for the adsorption of CO2
Ejemplo 6. Efecto del conformado en la capacidad de adsorción de CO2 Example 6. Effect of forming on CO2 adsorption capacity
La capacidad de adsorción de CO2 a presión atmosférica de los materiales adsorbentes CC (Ejemplo 2) y CNC (Ejemplo 3) se evaluó en un analizador gravimétrico midiendo la ganancia de masa experimentada al exponer 20 mg de muestra, previamente regenerada y 5 seca (secado: 1 h a 100 ˚C en una corriente de 50 ml min-1 de Ar), a una corriente de 50 ml min-1 de CO2. La capacidad de adsorción de CO2 del adsorbente CC a 25 y a 50˚C resultó superior a la de CNC (ver Tabla 5). Además, el material conformado CC tardó menos tiempo en alcanzar el equilibrio, lo que indica que el adsorbente conformado presenta menor resistencia a la transferencia de materia, lo que es especialmente deseable para su 10 aplicación en procesos de adsorción cíclicos. The adsorption capacity of CO2 at atmospheric pressure of the adsorbent materials CC (Example 2) and CNC (Example 3) was evaluated in a gravimetric analyzer measuring the mass gain experienced by exposing 20 mg of sample, previously regenerated and dried (dried) : 1 h at 100 ˚C in a stream of 50 ml min-1 of Ar), at a stream of 50 ml min-1 of CO2. The CO2 adsorption capacity of the CC adsorbent at 25 and 50˚C was higher than that of CNC (see Table 5). In addition, the CC shaped material took less time to reach equilibrium, indicating that the formed adsorbent exhibits lower resistance to matter transfer, which is especially desirable for application in cyclic adsorption processes.
Tabla 5. Capacidad de adsorción de CO2 de dos adsorbentes obtenidos a partir de residuo de café postconsumo Table 5. CO2 adsorption capacity of two adsorbents obtained from post-consumer coffee residue
- Adsorbente Adsorbent
- Adsorción de CO2 a 101 kPa (mmol CO2 g-1 adsorbente) Adsorption of CO2 at 101 kPa (mmol CO2 g-1 adsorbent)
- 25 ˚C 25 ˚C
- 50 ˚C 50 ˚C
- Adsorbente CC (Ejemplo 2) CC Adsorbent (Example 2)
- 2,4 1,8 2.4 1.8
- Adsorbente no conformado CNC (Ejemplo 3) Non-conformed CNC adsorbent (Example 3)
- 2,3 1,7 2.3 1.7
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Ejemplo 7. Equilibrio de adsorción (monocomponente) de CO2 y de N2 del adsorbente PPC Example 7. Adsorption equilibrium (monocomponent) of CO2 and N2 of the PPC adsorbent
Se llevó a cabo un estudio del equilibrio de adsorción monocomponente de CO2 y N2 entre 0,1 y 120 kPa a 0, 25 y 50 °C sobre el adsorbente PPC. Para ello se utilizó un equipo volumétrico (también denominado manométrico) de adsorción de gases TriStar 3000 de Micromeritcs. Previamente a la medida de las isotermas de adsorción de los compuestos 20 puros, una alícuota de muestra se introduce en los portamuestras (en torno a 0,17 g) para ser desgasificada a 100 ˚C a vacío durante al menos 12 h. Las isotermas de adsorción son medidas de forma automática por el equipo, que dosifica de manera controlada volúmenes de gas al portamuestras, inicialmente a vacío, registrando la cantidad adsorbida por la muestra a medida que se incrementa la presión en el mismo. La temperatura de adsorción 25 se regula mediante un termostato de circulación. El volumen muerto se corrige realizando una picnometría de helio in situ, con la muestra, antes o después de realizar la isoterma. A study of the monocomponent adsorption equilibrium of CO2 and N2 between 0.1 and 120 kPa at 0.25 and 50 ° C on the PPC adsorbent was carried out. For this purpose, a volumetric equipment (also called manometric) was used for gas adsorption TriStar 3000 from Micromeritcs. Prior to measuring the adsorption isotherms of pure compounds, a sample aliquot is introduced into the sample holders (around 0.17 g) to be degassed at 100 ° C under vacuum for at least 12 h. The adsorption isotherms are automatically measured by the equipment, which doses in a controlled manner volumes of gas to the sample holder, initially under vacuum, recording the amount adsorbed by the sample as the pressure in it is increased. The adsorption temperature 25 is regulated by a circulation thermostat. The dead volume is corrected by performing a helium pycnometry in situ, with the sample, before or after performing the isotherm.
Las isotermas de adsorción de N2 son lineales, de tipo Henry, indicando una débil interacción adsorbente-adsorbato, mientras que las isotermas de adsorción de CO2 son de Tipo I (clasificación BDDT), indicando una interacción adsorbente-adsorbato más fuerte (ver Figuras 1 y 2). Esta diferencia se debe al mayor momento cuadrupolar de la molécula de CO2 respecto al N2. Además, la capacidad de equilibrio de adsorción de CO2 es muy 5 superior a la del N2. Esto indica una elevada selectividad de equilibrio CO2/N2, parámetro relevante para la aplicación de estos adsorbentes en captura postcombustión, donde el N2 es el componente mayoritario de los gases de chimenea. The adsorption isotherms of N2 are linear, Henry type, indicating a weak adsorbent-adsorbate interaction, while the CO2 adsorption isotherms are Type I (BDDT classification), indicating a stronger adsorbent-adsorbate interaction (see Figures 1 and 2). This difference is due to the greater quadrupole moment of the CO2 molecule with respect to N2. In addition, the CO2 adsorption equilibrium capacity is much higher than that of N2. This indicates a high selectivity of CO2 / N2 equilibrium, a relevant parameter for the application of these adsorbents in post-combustion capture, where N2 is the major component of chimney gases.
Más aun, la capacidad de equilibrio de adsorción de CO2 del adsorbente PPC es 10 especialmente elevada a presiones de CO2 bajas, característica de los gases de combustión. Por ejemplo, la capacidad de adsorción de CO2 a una presión de 14,4 kPa es de 1,19 ± 0,03 mmol g-1 a 25 ˚C, y de 0,68 ± 0,08 mmol g-1 a 50 ˚C. Estos valores corresponden a la media de dos medidas experimentales. Moreover, the CO2 adsorption equilibrium capacity of the PPC adsorbent is especially high at low CO2 pressures, characteristic of flue gases. For example, the CO2 adsorption capacity at a pressure of 14.4 kPa is 1.19 ± 0.03 mmol g-1 at 25 ˚C, and 0.68 ± 0.08 mmol g-1 at 50 C. These values correspond to the average of two experimental measurements.
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El calor isostérico de adsorción de CO2 del adsorbente de la invención fue estimado a partir de las isotermas de adsorción de CO2 a 0, 25 y 50 °C mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron, resultando un valor medio de 24 kJ mol-1, característico de procesos de fisisorción, fácilmente reversibles. The isostatic heat of CO2 adsorption of the adsorbent of the invention was estimated from the CO2 adsorption isotherms at 0, 25 and 50 ° C by means of the Clausius-Clapeyron equation, resulting in an average value of 24 kJ mol-1, characteristic of fisisorción processes, easily reversible.
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7.1. Comparación de las isotermas de adsorción del adsorbente PPC y de un carbón comercial activado 7.1. Comparison of the adsorption isotherms of the PPC adsorbent and an activated commercial carbon
La capacidad de equilibrio de adsorción de CO2 del adsorbente PPC es superior a la del carbón activado comercial Norit R 2030 CO2, que se utiliza como adsorbente de CO2, especialmente a bajas presiones parciales (ver Figura 2). Por ejemplo, la capacidad de 25 adsorción de CO2 de Norit R 2030 CO2 a 25 ˚C y 14,5 kPa es de 0,82 mmol g-1 y a 50 ºC y 14,6 kPa de 0,46 mmol g-1. La capacidad de adsorción de PPC presenta una capacidad casi un 50 % superior en estas condiciones. Esta diferencia se debe al mayor volumen de microporos estrechos y la naturaleza más estrecha de los mismos, que les proporciona mayor potencial de adsorción. Además, la capacidad de equilibrio de adsorción de N2 de 30 Norit R 2030 CO2 es ligeramente superior a la de PPC (ver Figura 2), lo que implica una menor selectividad de equilibrio del carbón comercial. The CO2 adsorption equilibrium capacity of the PPC adsorbent is superior to that of Norit R 2030 CO2 commercial activated carbon, which is used as a CO2 adsorbent, especially at low partial pressures (see Figure 2). For example, the CO2 adsorption capacity of Norit R 2030 CO2 at 25 ° C and 14.5 kPa is 0.82 mmol g-1 and at 50 ° C and 14.6 kPa 0.46 mmol g-1. The adsorption capacity of PPC has a capacity almost 50% higher in these conditions. This difference is due to the greater volume of narrow micropores and the narrower nature of them, which gives them greater adsorption potential. In addition, the N2 adsorption equilibrium capacity of 30 Norit R 2030 CO2 is slightly higher than that of PPC (see Figure 2), which implies a lower equilibrium selectivity of commercial coal.
La capacidad de equilibrio de adsorción de CO2 de PPC a 25 °C y 101 kPa (2,77 ± 0,03 mmol g-1) también es superior a la de Norit R 2030 CO2, que en estas condiciones tiene 35 una capacidad de adsorción de 2,66 mmol CO2 g-1. Asimismo, PPC también presenta mayor The CO2 adsorption equilibrium capacity of PPC at 25 ° C and 101 kPa (2.77 ± 0.03 mmol g-1) is also greater than that of Norit R 2030 CO2, which under these conditions has a capacity of adsorption of 2.66 mmol CO2 g-1. Likewise, PPC also presents greater
capacidad de adsorción que otros carbones activados comerciales del estado del arte. Por ejemplo, “AC1”, utilizado como adsorbente de CO2 en la patente US2010/0242728 A1, tiene una capacidad de adsorción de CO2 en torno a un 10 % en masa (2,3 mmol g-1) a 25 °C y 100 kPa. adsorption capacity than other commercial activated carbons of the state of the art. For example, "AC1", used as a CO2 adsorbent in US2010 / 0242728 A1, has a CO2 adsorption capacity of about 10% by mass (2.3 mmol g-1) at 25 ° C and 100 kPa.
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Ejemplo 8. Adsorción de mezclas gaseosas binarias de CO2 y N2 en el adsorbente PPC utilizando un sistema de adsorción de lecho fijo Example 8. Adsorption of binary gaseous mixtures of CO2 and N2 in the PPC adsorbent using a fixed bed adsorption system
La separación de CO2 a partir de una mezcla binaria CO2/N2 utilizando el adsorbente PPC fue evaluada en condiciones dinámicas. Para ello se utilizó una unidad de adsorción dotada de un lecho de acero inoxidable con un diámetro interno de 9,12 mm, con control de 10 temperatura (± 1°C) y de presión (± 10 kPa). La composición y caudal del gas de alimentación se reguló mediante controladores de flujo másico, y la composición de la corriente de salida se determinó mediante un microcromatógrafo de gases. El caudal a la salida del lecho se determinó mediante la adición de un caudal conocido de oxígeno antes del analizador. 15 The CO2 separation from a binary CO2 / N2 mixture using the PPC adsorbent was evaluated under dynamic conditions. For this, an adsorption unit equipped with a stainless steel bed with an internal diameter of 9.12 mm, with temperature control (± 1 ° C) and pressure (± 10 kPa) was used. The composition and flow rate of the feed gas was regulated by mass flow controllers, and the composition of the output stream was determined by a gas microchromatograph. The flow rate at the exit of the bed was determined by the addition of a known flow rate of oxygen before the analyzer. fifteen
En estos experimentos, denominados curva de ruptura, la etapa de adsorción (alimentación de la mezcla a separar) se prolongó durante 1 h, de modo que el lecho se saturó por completo (alcanzó el equilibrio). Asimismo, la desorción (regeneración del adsorbente) se llevó a cabo mediante calentamiento a 150 ˚C durante 1 h con una purga de gas, de modo 20 que la regeneración también fue completa. Antes de llevar a cabo una nueva etapa de adsorción, se permitió que el adsorbente enfriase hasta la temperatura de adsorción. Estos experimentos de adsorción/desorción se repitieron de forma consecutiva durante 6 ciclos completos con resultados coincidentes, indicando buena repetitividad y comportamiento del adsorbente. 25 In these experiments, called the rupture curve, the adsorption stage (feeding of the mixture to be separated) was prolonged for 1 h, so that the bed was completely saturated (it reached equilibrium). Also, desorption (regeneration of the adsorbent) was carried out by heating at 150 ° C for 1 h with a gas purge, so that the regeneration was also complete. Before carrying out a new adsorption stage, the adsorbent was allowed to cool to the adsorption temperature. These adsorption / desorption experiments were repeated consecutively for 6 complete cycles with matching results, indicating good repeatability and adsorbent behavior. 25
8.1. Curva de ruptura de una mezcla binaria de CO2 y N2 a una temperatura de 50˚C 8.1. Breaking curve of a binary mixture of CO2 and N2 at a temperature of 50˚C
La Figura 3 muestra las curvas de ruptura de CO2 y N2 a 50 °C y 130 kPa resultantes de alimentar una mezcla gaseosa (2,7 mmol min-1) con un 15 % CO2 (balance N2) sobre un lecho de PPC (3,5 g) regenerado y lleno de helio. El primer compuesto en alcanzar la salida 30 del lecho fue el N2, que apenas resultó retenido (tiempo de ruptura ≈ 0,5 min), mientras que el tiempo de ruptura del CO2 fue de unos 6 min en estas condiciones. Como se observa en la Figura 3, en el transcurso entre ambas rupturas, el caudal molar de N2 a la salida del lecho supera el caudal de N2 alimentado durante unos minutos. Esto se debe a que parte del N2 adsorbido inicialmente resulta desplazado por la adsorción preferencial de CO2 35 (fenómeno conocido como roll-up). Cuando el lecho comienza a saturarse, el caudal molar Figure 3 shows the rupture curves of CO2 and N2 at 50 ° C and 130 kPa resulting from feeding a gaseous mixture (2.7 mmol min-1) with 15% CO2 (N2 balance) on a bed of PPC (3 , 5 g) regenerated and full of helium. The first compound to reach exit 30 of the bed was the N2, which was barely retained (break time ≈ 0.5 min), while the CO2 break time was about 6 min under these conditions. As can be seen in Figure 3, in the course between both ruptures, the molar flow of N2 at the exit of the bed exceeds the flow of N2 fed for a few minutes. This is because part of the initially adsorbed N2 is displaced by the preferential adsorption of CO2 35 (a phenomenon known as roll-up). When the bed begins to saturate, the molar flow rate
de CO2 a la salida del lecho comienza a aumentar hasta igualar el caudal de CO2 alimentado (lecho completamente saturado, en equilibrio con la composición de la alimentación). Realizando un balance de materia al lecho, y descontando el volumen muerto del equipo y la porosidad del lecho, es posible obtener la cantidad adsorbida de cada uno de los gases: 0,68 mmol de CO2 y 0,14 mmol de N2 por g de PPC, y calcular la selectividad real en estas 5 condiciones: 27. Este valor es superior al que se estimaría a partir del equilibrio de adsorción de los compuestos puros para la misma presión parcial (19) debido a la adsorción competitiva, que hace que los sitos de adsorción sean preferentemente ocupados por el CO2 frente al N2. of CO2 at the exit of the bed begins to increase until the flow of fed CO2 is equalized (fully saturated bed, in balance with the composition of the feed). Performing a balance of matter to the bed, and discounting the dead volume of the equipment and the porosity of the bed, it is possible to obtain the adsorbed amount of each of the gases: 0.68 mmol of CO2 and 0.14 mmol of N2 per g of PPC, and calculate the real selectivity in these 5 conditions: 27. This value is higher than what would be estimated from the adsorption equilibrium of the pure compounds for the same partial pressure (19) due to the competitive adsorption, which causes the adsorption sites are preferably occupied by CO2 versus N2.
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8.2. Adsorción de CO2 a partir de una mezcla binaria de CO2 y N2 a temperatura ambiente 8.2. CO2 adsorption from a binary mixture of CO2 and N2 at room temperature
La curva de ruptura de CO2 a temperatura ambiente (21 °C) y 130 kPa sobre el lecho de material adsorbente de la invención (inicialmente regenerado y lleno de nitrógeno) y para una alimentación de 4,5 mmol min-1 con un 16 % de CO2 (balance N2), se muestra en la Figura 4. La cantidad de CO2 adsorbida en estas condiciones fue de 1,3 mmol g-1. Un 15 termopar embebido en el lecho permitió registrar la variación de temperatura durante el experimento. Como se observa en la Figura 4, el incremento de temperatura asociado a la adsorción de CO2 fue de tan sólo 5 °C, y el calor se disipó rápidamente. Esto indica que la temperatura durante la etapa de adsorción en un proceso cíclico se mantendrá aproximadamente constante, lo que es favorable, pues la capacidad de adsorción disminuye 20 cuando aumenta la temperatura. Los efectos térmicos para el adsorbente de esta invención serán de menor importancia que para otros adsorbentes con mayor calor isostérico de adsorción de CO2. The CO2 rupture curve at room temperature (21 ° C) and 130 kPa on the bed of adsorbent material of the invention (initially regenerated and filled with nitrogen) and for a feed of 4.5 mmol min-1 with 16% of CO2 (balance N2), is shown in Figure 4. The amount of CO2 adsorbed under these conditions was 1.3 mmol g-1. A thermocouple embedded in the bed allowed to record the temperature variation during the experiment. As seen in Figure 4, the temperature increase associated with CO2 adsorption was only 5 ° C, and the heat dissipated rapidly. This indicates that the temperature during the adsorption stage in a cyclic process will remain approximately constant, which is favorable, since the adsorption capacity decreases 20 when the temperature increases. The thermal effects for the adsorbent of this invention will be of less importance than for other adsorbents with higher isostatic heat of CO2 adsorption.
8.3. Desorción de CO2 25 8.3. CO2 desorption 25
El lecho de PCC saturado (ver Figura 4), se regeneró alimentando una pequeña purga de N2 (0,07 mmol min-1) y calentando el reactor desde el exterior. La Figura 5 muestra la evolución de la temperatura y del caudal molar de CO2 a la salida del adsorbedor durante la etapa de regeneración. Integrando el área debajo de la curva de CO2 y descontando el CO2 almacenado en la porosidad del lecho y el volumen muerto del equipo, se obtiene la 30 cantidad de CO2 desorbida: 1,3 mmol g-1. Es decir, se desorbió todo el CO2 previamente adsorbido. El caudal de CO2 pasó por un máximo a los 2,8 min, momento en el que la temperatura del lecho tan solo había alcanzado 70 °C. Otros adsorbentes, con mayor calor isostérico de adsorción de CO2, requieren temperaturas más elevadas para su regeneración. The saturated PCC bed (see Figure 4) was regenerated by feeding a small purge of N2 (0.07 mmol min-1) and heating the reactor from the outside. Figure 5 shows the evolution of the temperature and the molar flow of CO2 at the outlet of the adsorber during the regeneration stage. By integrating the area below the CO2 curve and discounting the CO2 stored in the porosity of the bed and the dead volume of the equipment, the amount of desorbed CO2 is obtained: 1.3 mmol g-1. That is, all previously adsorbed CO2 was desorbed. The CO2 flow rate went through a maximum at 2.8 min, at which time the bed temperature had only reached 70 ° C. Other adsorbents, with higher isospheric heat of CO2 adsorption, require higher temperatures for regeneration.
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Ejemplo 9. Procesos cíclicos de adsorción/desorción Example 9. Cyclic adsorption / desorption processes
Los ciclos que se incluyen a continuación ilustran la versatilidad del adsorbente objeto de la presente invención para su aplicación en procesos de captura de CO2 postcombustión. The cycles included below illustrate the versatility of the adsorbent object of the present invention for application in post-combustion CO2 capture processes.
A diferencia de los ciclos largos de adsorción/desorción presentados en el Ejemplo 8, en los que se permitía que el adsorbente alcanzase el equilibrio de adsorción con la alimentación y 5 en los que el lecho era complemente regenerado durante la etapa de desorción, los ciclos presentados en este ejemplo pretenden dar una visión más representativa de una operación cíclica real, en que la etapa de adsorción se detiene antes de que el lecho se sature por completo, y donde la regeneración no suele ser completa. Las etapas de adsorción y desorción se alternan de forma rápida de modo que el adsorbedor oscila entre dos estados 10 con condiciones de presión y/o temperatura distintas, que le permiten llevar a cabo la separación de la alimentación de forma continua. En un proceso industrial suelen existir varios adsorbedores (proceso multicolumna), de modo que cuando un lecho necesita ser regenerado, la corriente de alimentación se dirige a otro lecho, ya regenerado, produciéndose un consumo constante de alimentación (proceso continuo). 15 Unlike the long adsorption / desorption cycles presented in Example 8, in which the adsorbent was allowed to reach the adsorption equilibrium with the feed and 5 in which the bed was completely regenerated during the desorption stage, the cycles presented in this example, they intend to give a more representative view of a real cyclic operation, in which the adsorption stage stops before the bed is completely saturated, and where the regeneration is usually not complete. The adsorption and desorption stages alternate rapidly so that the adsorber oscillates between two states 10 with different pressure and / or temperature conditions, which allow it to carry out the separation of the feed continuously. In an industrial process there are usually several adsorbers (multicolumn process), so that when a bed needs to be regenerated, the feed stream is directed to another bed, already regenerated, producing a constant consumption of feed (continuous process). fifteen
9.1. Proceso VSA de tres etapas 9.1. VSA three-stage process
Se llevó a cabo un proceso VSA simple en tres etapas (adsorción + evacuación + represurización con alimentación) a 50 °C, con un lecho de PPC (3,5 g). Para llevar a cabo la etapa de evacuación se conectó una bomba de membrana con control de presión (≥0,5 20 kPa) a la salida del adsorbedor mediante una válvula actuada de forma automática. A simple three-stage VSA process (adsorption + evacuation + repressurization with feed) was carried out at 50 ° C, with a bed of PPC (3.5 g). To carry out the evacuation stage, a diaphragm pump with pressure control (≥ 0.5 20 kPa) was connected to the adsorber outlet by means of an automatically actuated valve.
Durante la etapa de adsorción se alimentaron 2,69 mmol min-1 de una mezcla con 13 % CO2 (balance N2) a una presión de 130 kPa durante 330 s. Transcurrido este tiempo (lecho parcialmente saturado) se cerró la entrada del lecho y se evacuó durante 365 s. Por último 25 el lecho fue represurizado con la alimentación, manteniendo la salida del lecho cerrada (40 s). During the adsorption stage, 2.69 mmol min-1 of a mixture with 13% CO2 (N2 balance) was fed at a pressure of 130 kPa for 330 s. After this time (partially saturated bed) the bed entrance was closed and evacuated for 365 s. Finally, the bed was repressed with the feed, keeping the exit of the bed closed (40 s).
Durante la etapa de adsorción, un efluente empobrecido en CO2 abandona el lecho a 130 kPa (ver Figura 6a). Los resultados mostrados corresponden al estado cíclico estacionario 30 (ciclos 7-28). Puede observarse que PPC presenta buen comportamiento en operación cíclica, produciendo resultados repetitivos, sin pérdida de capacidad. During the adsorption stage, an effluent depleted in CO2 leaves the bed at 130 kPa (see Figure 6a). The results shown correspond to the stationary cyclic state 30 (cycles 7-28). It can be seen that PPC exhibits good performance in cyclic operation, producing repetitive results, without loss of capacity.
La Figura 6b muestra el caudal molar de CO2 y N2 y la presión a la salida del lecho durante la etapa de regeneración a vacío. El caudal que abandona el lecho alcanzó su valor máximo 35 durante los primeros instantes de la despresurización, que fue muy rápida. La pureza del Figure 6b shows the molar flow of CO2 and N2 and the pressure at the exit of the bed during the vacuum regeneration stage. The flow leaving the bed reached its maximum value 35 during the first moments of depressurization, which was very fast. The purity of
CO2 obtenido durante la etapa de regeneración fue del 36 %, y se recuperó el 52 % del CO2 total alimentado. La pureza del CO2 no fue elevada debido a que el lecho aún contenía una gran cantidad de nitrógeno cuando comenzó la evacuación. Este ciclo no pretende ser un ciclo optimizado, sino solo ilustrativo. Si se realizase la evacuación en contracorriente se incrementaría la pureza, ya que la entrada del lecho, a diferencia de la salida, está 5 completamente saturada. CO2 obtained during the regeneration stage was 36%, and 52% of the total CO2 fed was recovered. The purity of CO2 was not high because the bed still contained a large amount of nitrogen when the evacuation began. This cycle is not intended to be an optimized cycle, but only illustrative. If the evacuation was carried out in countercurrent, purity would be increased, since the bed inlet, unlike the outlet, is completely saturated.
9.2. Proceso VSA de cuatro etapas 9.2. VSA four-stage process
Se llevó a cabo un ciclo VSA similar al del Ejemplo 9.1, aunque añadiendo una etapa de purga con CO2 puro (365 s; 0,2 mmol min-1) entre las etapas de adsorción y evacuación para 10 mejorar la pureza del CO2. A VSA cycle similar to that of Example 9.1 was carried out, although adding a purge stage with pure CO2 (365 s; 0.2 mmol min-1) between the adsorption and evacuation steps to improve the CO2 purity.
En la Figura 7a se muestran los caudales molares de CO2 y de N2 a la salida del lecho durante la etapa de purga con CO2: el CO2 alimentado es mayoritariamente adsorbido, mientras que el N2 resulta desplazado, abandonando el adsorbedor. La composición 15 promedio del efluente durante esta etapa, 13 % CO2, es similar a la de la alimentación, por lo que en una operación industrial, podría ser recirculada y alimentada junto con esta. Figure 7a shows the molar flow rates of CO2 and N2 at the exit of the bed during the CO2 purge stage: the fed CO2 is mostly adsorbed, while the N2 is displaced, leaving the adsorber. The average composition of the effluent during this stage, 13% CO2, is similar to that of the feed, so in an industrial operation, it could be recirculated and fed along with it.
En la Figura 7b se muestra la evolución de los caudales molares de CO2 y de N2 y la presión a la salida del lecho durante la etapa de evacuación. La pureza del CO2 recuperado durante 20 esta etapa se incrementó hasta el 61 %, y la cantidad de CO2 recuperado supuso un 67 % del CO2 total alimentado. Figure 7b shows the evolution of the CO2 and N2 molar flows and the pressure at the exit of the bed during the evacuation stage. The purity of the CO2 recovered during 20 this stage increased to 61%, and the amount of CO2 recovered accounted for 67% of the total CO2 fed.
En la Figura 7b se observa que el remanente de N2 que aún no había sido desplazado en la etapa de purga con CO2, abandonó el lecho durante los primeros instantes de la etapa de 25 evacuación; sin embargo, el CO2 presentó 2 máximos: el primero, al igual que el N2, al inicio de la etapa, y el segundo, después de aproximadamente 50 s, cuando la mayoría del N2 ya había abandonado el lecho, y la presión había alcanzado 20 kPa. Fijando el inicio de la etapa de producción en 735 s, la pureza del producto alcanzaría un 87 %. El producto procedente de los primeros 40 s de la evacuación, que tiene una composición molar 30 promedio del 26 % de CO2, podría ser recirculado y alimentado junto con la alimentación (se incrementaría la presión parcial del CO2 durante la etapa de adsorción favoreciendo la separación). Otra opción, aún más preferible, sería llevar a cabo una etapa de equilibrado de presiones conectando la salida del lecho que acabase la etapa de purga con CO2 con la entrada de un lecho recién regenerado que deba ser presurizado. De esta forma, se 35 mejoraría la recuperación, y se ahorraría energía mecánica. In Figure 7b it is observed that the N2 remnant that had not yet been displaced in the CO2 purge stage, left the bed during the first moments of the evacuation stage; however, the CO2 presented 2 maximums: the first, like the N2, at the beginning of the stage, and the second, after approximately 50 s, when most of the N2 had already left the bed, and the pressure had reached 20 kPa By setting the start of the production stage at 735 s, the purity of the product would reach 87%. The product from the first 40 s of the evacuation, which has an average 30% molar composition of 26% CO2, could be recirculated and fed together with the feed (the partial pressure of the CO2 would be increased during the adsorption stage favoring separation ). Another option, even more preferable, would be to carry out a pressure balancing stage by connecting the exit of the bed that ended the purge stage with CO2 with the entrance of a newly regenerated bed that must be pressurized. In this way, recovery would be improved, and mechanical energy would be saved.
9.3. Proceso de adsorción híbrido VTSA (combina el efecto de un vacío moderado con un incremento somero de la temperatura) 9.3. VTSA hybrid adsorption process (combines the effect of a moderate vacuum with a shallow increase in temperature)
Se llevó a cabo un proceso híbrido VTSA consistente en un proceso cíclico de 6 etapas: adsorción a 130 kPa y 50 °C (330 s; 2,69 mmol min-1; 13 % CO2, balance N2), purga con 5 CO2 puro (185 s; 0,47 mmol min-1), evacuación hasta 20 kPa (40 s), evacuación hasta 10 kPa con calentamiento exterior hasta 70 °C (325 s), enfriamiento hasta 50 °C a 10 kPa con una purga de N2 puro (185 s; 0,07 mmol min-1), y represurización con alimentación (40 s). A hybrid VTSA process consisting of a 6-stage cyclic process was carried out: adsorption at 130 kPa and 50 ° C (330 s; 2.69 mmol min-1; 13% CO2, balance N2), purging with 5 pure CO2 (185 s; 0.47 mmol min-1), evacuation up to 20 kPa (40 s), evacuation up to 10 kPa with external heating up to 70 ° C (325 s), cooling up to 50 ° C at 10 kPa with a purge of Pure N2 (185 s; 0.07 mmol min-1), and feed repressurization (40 s).
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La etapa de purga con N2 a vacío, permite enfriar el lecho hasta la temperatura de adsorción, pero además mejora la recuperación de CO2, ya que reduce la presión parcial del CO2 en el lecho, facilitando su desorción, y desplaza el CO2 adsorbido. The purge stage with N2 under vacuum allows the bed to cool down to the adsorption temperature, but also improves the recovery of CO2, since it reduces the partial pressure of the CO2 in the bed, facilitating its desorption, and displaces the adsorbed CO2.
Las etapas de producción (evacuación a 10 kPa y purga con N2) se muestran en la Figura 8. 15 Con esta configuración se recuperó el 84 % del CO2 alimentado con una pureza del 88 % (productividad: 2,73 mol CO2 kg-1 h-1). The production stages (evacuation at 10 kPa and purging with N2) are shown in Figure 8. 15 With this configuration, 84% of the CO2 fed with 88% purity was recovered (productivity: 2.73 mol CO2 kg-1 h-1).
Esta recuperación (y productividad) aumentaría si en un proceso multicolumna se recirculase junto con la alimentación la corriente producida durante la etapa de purga con 20 CO2 (composición molar promedio: 12 % CO2). This recovery (and productivity) would increase if, in a multicolumn process, the current produced during the purge stage with 20 CO2 (average molar composition: 12% CO2) was recirculated along with the feed.
Asimismo, en un proceso multicolumna, la corriente generada durante la primera etapa de evacuación (composición molar promedio: 21 % CO2) podría aprovecharse para represurizar otro lecho, incluyendo una etapa de equilibrado de presiones conectando la salida del lecho 25 al final de la etapa de purga con la entrada de un lecho recién regenerado y que deba ser represurizado. Se mejoraría así tanto la recuperación (y productividad) como la eficiencia energética del proceso. De hecho, en el presente ejemplo, la duración de la primera etapa de evacuación se ha fijado en 40 s, para que coincidiese con el tiempo de presurización, simulando la configuración de un ciclo que incluyese una etapa de equilibrado de presiones 30 (con un solo lecho de adsorción no es posible llevar a cabo una verdadera etapa de equilibrado de presiones). Also, in a multicolumn process, the current generated during the first evacuation stage (average molar composition: 21% CO2) could be used to repressurize another bed, including a pressure balancing stage connecting the outlet of bed 25 at the end of the stage of purge with the entry of a newly regenerated bed and that must be repressed. This would improve the recovery (and productivity) as well as the energy efficiency of the process. In fact, in the present example, the duration of the first evacuation stage has been set at 40 s, to coincide with the pressurization time, simulating the configuration of a cycle that included a pressure balancing stage 30 (with a only a bed of adsorption is not possible to carry out a true pressure balancing stage).
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