ES2904254A1 - Adsorbent Zn/MN recovered from the Base Espinela for the elimination of sulfur in gasification processes (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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Hervas José María Sánchez
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Abstract

Adsorbent Zn/MN recovered from spinel base for the elimination of sulfur into gasification processes. The present invention discloses the use of an adsorbent recovered from spinelet base with ZN formula0.15 or2,15 or ZN0.25 MN2,75 or4, which works in a temperature range of between 300ºC and 500ºC, for sulfur removal in Gasification processes such as those of coal, biomass and residues. This adsorbent has been obtained from alkaline batteries and recycled Zn/C batteries. Therefore, the present invention could be of interest to the industry that produces gaseous fuels from biomass and residues, also for the biotechnology industry that produces energy and value chemicals added from waste and biomass. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Adsorbente Zn/Mn recuperado de base espinela para la eliminación del azufre en procesos de gasificaciónRecovered spinel-based Zn/Mn adsorbent for sulfur removal in gasification processes

La presente invención da a conocer el uso de un adsorbente recuperado de base de espinela con formula Zno,85Mn2,i5O4 o Zno,25Mn2,75O4, que trabaja en un intervalo de temperaturas de entre 300 °C y 500 °C, para la eliminación de azufre en procesos de gasificación tales como los procesos de gasificación del carbón, biomasa y residuos. Dicho adsorbente se ha obteniéndolo a partir de pilas alcalinas y pilas Zn/C recicladas.The present invention discloses the use of a recovered spinel-based adsorbent with formula Zno,85Mn2,i5O4 or Zno,25Mn2,75O4, which works in a temperature range between 300 °C and 500 °C, for the elimination of sulfur in gasification processes such as coal, biomass and waste gasification processes. Said adsorbent has been obtained from alkaline batteries and recycled Zn/C batteries.

Por ello, la presente invención podría ser de interés para la industria que produce combustibles gaseosos a partir de biomasa y residuos, también para la industria biotecnológica que produce energía y productos químicos de valor añadido a partir de residuos y biomasa.Therefore, the present invention could be of interest to the industry that produces gaseous fuels from biomass and waste, as well as to the biotechnological industry that produces energy and value-added chemical products from waste and biomass.

ESTADO DE ARTESTATE OF ART

La eliminación de especies reducidas de azufre en procesos de gasificación ha sido un problema desde los años 90s. En aquel momento este problema estaba asociado a la gasificación de carbón y a la necesidad de cumplimiento de los límites medioambientales de emisiones en la combustión de síntesis gas en las calderas, los motores y turbinas y para prevenir la corrosión. Recientemente, el foco se ha puesto en conseguir una reducción completa del azufre en los procesos de gasificación de biomasa y residuos dado el papel que juegan el gas de síntesis y el biogás como predecesores de productos de valor añadido como biocombustibles o productos químicos. La eliminación de azufre también se relaciona hoy en día con la prevención del envenenamiento por azufre de los catalizadores sensibles al azufre cuando se mejora el gas de síntesis o biogás a biometano. Particularmente, para el gas de síntesis son deseables tecnologías que usen adsorbentes regenerables que trabajen en el intervalo de 300 - 500°C de temperatura para mejorar el proceso de integración.The removal of reduced sulfur species in gasification processes has been a problem since the 1990s. At that time, this problem was associated with the gasification of coal and the need to comply with the environmental limits of emissions in the combustion of gas synthesis in boilers, engines and turbines and to prevent corrosion. Recently, the focus has been on achieving a complete reduction of sulfur in biomass and waste gasification processes given the role that synthesis gas and biogas play as predecessors of value-added products such as biofuels or chemical products. Sulfur removal is also today associated with the prevention of sulfur poisoning of sulfur sensitive catalysts when upgrading syngas or biogas to biomethane. Particularly, for synthesis gas, technologies that use regenerable adsorbents that work in the temperature range of 300 - 500°C are desirable to improve the integration process.

Se han utilizado muchos tipos de materiales para testear la eliminación de H2S, tales como: zeolitas, carbón activo, materiales de base de hierro y diferentes óxidos. Es ampliamente conocido que los adsorbentes de óxido de zinc y sus derivados son altamente eficaces a la hora de eliminar sulfuro de hidrógeno, demostrándose en estudios experimentales que su concentración puede reducirse a niveles de ppmv. Sin embargo, también es conocido que el óxido de zinc tiende a reducirse a zinc elemental en un ambiente reductor, disminuyendo su capacidad de desulfuración. En un esfuerzo para eliminar esta limitación, Ko et al. [Ko, T.-H., H. Chu, y Y.-J. Liou, A study of Zn-Mn based sorbent for the high-temperature removal of H2S from coal-derived gas. Journal of Hazardous Materials, 2007. 147(1): p. 334-341] identificaron un efecto positivo en la presencia de manganeso señalando que el óxido de manganeso podría inhibir la evaporación del zinc en atmosferas reductoras, y mejorar la capacidad del adsorbente para retener compuestos de azufre. En consecuencia, los adsorbentes de base de manganeso atrajeron la atención de diferentes grupos de investigación, lo cuales recogen las ventajas de usar óxidos de manganeso en los procesos de desulfuración en sus trabajos:Many types of materials have been used to test H2S removal, such as: zeolites, activated carbon, iron-based materials and different oxides. It is widely known that zinc oxide adsorbents and their derivatives are highly effective in removing hydrogen sulfide, and experimental studies have shown that its concentration can be reduced to ppmv levels. However, it is also known that the Zinc oxide tends to be reduced to elemental zinc in a reducing environment, lowering its desulfurization capacity. In an effort to remove this limitation, Ko et al. [Ko, T.-H., H. Chu, and Y.-J. Liou, A study of Zn-Mn based sorbent for the high-temperature removal of H2S from coal-derived gas. Journal of Hazardous Materials, 2007. 147(1): p. 334-341] identified a positive effect in the presence of manganese, pointing out that manganese oxide could inhibit the evaporation of zinc in reducing atmospheres, and improve the capacity of the adsorbent to retain sulfur compounds. Consequently, manganese-based adsorbents have attracted the attention of different research groups, which have collected the advantages of using manganese oxides in desulfurization processes in their work:

• Herszage et al [Herszage, J and M. dos Santos Alfonso; Mechanism of Hydrogen sulphide oxydation by Manganese (IV) Oxide in Aqueous Solutions, Langmuir,2003, 19(23), p: 9684-9692] describen los beneficios que se obtienen de usar óxidos de Mn en procesos de desulfuración, pero estos estudios estaban enfocados a disoluciones acuosas.• Herszage et al [Herszage, J and M. dos Santos Alfonso; Mechanism of Hydrogen sulphide oxidation by Manganese (IV) Oxide in Aqueous Solutions, Langmuir,2003, 19(23), p: 9684-9692] describe the benefits obtained from using Mn oxides in desulfurization processes, but these studies were focused on aqueous solutions.

• Otros trabajos incluyen el uso de adsorbentes de base de manganeso soportados por ejemplo usando AhO3 [Chytil, S., et al., Performance of Mn-based H2S sorbents in dry, reducing atmosphere - Manganese oxide support effects. Fuel, 2017. 196: p.• Other works include the use of supported manganese-based adsorbents, for example using AhO3 [Chytil, S., et al., Performance of Mn-based H2S sorbents in dry, reducing atmosphere - Manganese oxide support effects. Fuel, 2017. 196: p.

124-133.], MCM [Jie, M., et al., Semi-Coke-Supported Mixed Metal Oxides for Hydrogen Sulfide Removal at High Temperatures. Environmental Engineering Science, 2011. 29(7): p. 611-616.] o SiO2 [Ko, T.-H., et al., Performance of ZnMn2O4/SiO2 sorbent for high temperature H2S removal from hot coal gas. RSC Advances, 2017. 7(57): p. 35795-35804.], sin embargo, su utilidad para eliminar azufre depende de la preparación del adsorbente y del efecto del soporte.124-133.], MCM [Jie, M., et al., Semi-Coke-Supported Mixed Metal Oxides for Hydrogen Sulfide Removal at High Temperatures. Environmental Engineering Science, 2011. 29(7): p. 611-616.] or SiO2 [Ko, T.-H., et al., Performance of ZnMn2O4/SiO2 sorbent for high temperature H2S removal from hot coal gas. CSR Advances, 2017. 7(57): p. 35795-35804.], however, its usefulness for removing sulfur depends on the preparation of the adsorbent and the effect of the support.

Por ello, es necesario desarrollar nuevos adsorbentes sostenibles y más eficientes para la eliminación efectiva de azufre en procesos de gasificación, particularmente en procesos de gasificación de carbón, biomasa y residuos.Therefore, it is necessary to develop new sustainable and more efficient adsorbents for the effective removal of sulfur in gasification processes, particularly in coal, biomass and waste gasification processes.

DESCRIPCIÓN DEL INVENTODESCRIPTION OF THE INVENTION

El primer aspecto de la invención se refiere al uso de un adsorbente recuperado de base espinela con formula Zn0,85Mn2,15O4 o Zn0,25Mn2,75O4 que trabaja en un intervalo de temperaturas de entre 300 °C y 500 °C, para la eliminación de azufre en procesos de gasificación, preferiblemente en procesos de gasificación de carbón, biomasa y residuos. The first aspect of the invention refers to the use of a recovered spinel-based adsorbent with formula Zn0.85Mn2.15O4 or Zn0.25Mn2.75O4 that works in a temperature range between 300 °C and 500 °C, for the elimination of sulfur in gasification processes, preferably in coal, biomass and waste gasification processes.

Los adsorbentes de base espinela con formula Zno,85Mn2,i5O4 o Zno,25Mn2,75O4 muestran un excelente comportamiento y pueden ser usados para casi cualquier gas de gasificación. Dichos adsorbentes de base espinela con formula Zn0,85Mn2.i5O4 o Zn0,25Mn2,75O4 han demostrado mayor eficiencia y mayor retención de azufre que los adsorbentes comerciales con ZnO como base (Z-Sorb-III).Spinel-based adsorbents with the formula Zno,85Mn2,i5O4 or Zno,25Mn2,75O4 show excellent behavior and can be used for almost any gasification gas. Said spinel-based adsorbents with formula Zn0.85Mn2.i5O4 or Zn0.25Mn2.75O4 have shown higher efficiency and higher sulfur retention than commercial adsorbents with ZnO as base (Z-Sorb-III).

Hay que tener en cuenta que el adsorbente funciona sorprendentemente bien en un gas con una concentración de 9000ppm de H2S. Esto nos asegura que, en presencia de concentraciones menores, por ejemplo, iguales o menores de 1000 ppm o menos, los adsorbentes recuperados de base espinela con formula Zn0,85Mn2,15O4 o Zn0,25Mn2,75O4 de la presente invención funcionan mucho mejor.Note that the adsorbent works surprisingly well in a gas with a concentration of 9000ppm H2S. This assures us that, in the presence of lower concentrations, for example, equal to or less than 1000 ppm or less, the recovered spinel-based adsorbents with formula Zn0.85Mn2.15O4 or Zn0.25Mn2.75O4 of the present invention perform much better.

En una realización preferida de la invención, el adsorbente se obtiene a partir de pilas alcalinas y pilas de Zn/C recicladas. El uso de acumuladores de energía (pilas) es esencial en nuestro día a día, pero desde el punto de vista medioambiental es esencial deshacerse adecuadamente de estos productos tras su uso y recuperar y reutilizar los componentes valiosos que se usan en su fabricación, en este caso el zinc y el manganeso que forman parte del ánodo y el cátodo de pilas y acumuladores. Recuperando los adsorbentes a partir de pilas alcalinas y de pilas de Zn/C recicladas implica una reducción del consumo de materias primas, ya que se obtienen a partir de pilas recicladas contribuyendo también a una reducción de los residuos y a la gestión sostenible de los mismos.In a preferred embodiment of the invention, the adsorbent is obtained from alkaline batteries and recycled Zn/C batteries. The use of energy accumulators (batteries) is essential in our daily lives, but from an environmental point of view it is essential to properly dispose of these products after use and to recover and reuse the valuable components used in their manufacture, in this case zinc and manganese that are part of the anode and cathode of batteries and accumulators. Recovering adsorbents from alkaline batteries and recycled Zn/C batteries implies a reduction in the consumption of raw materials, since they are obtained from recycled batteries, also contributing to a reduction in waste and their sustainable management.

El adsorbente se recupera a partir de pilas alcalinas y pilas de Zn/C. Se compone de una mezcla de óxidos de Zn y Mn de formula Zn0,85Mn2,15O4 o Zn0,25Mn2,75O4, con simetría tetragonal y un grupo espacial I41/amd que se corresponde con la estructura de la espinela. La estructura cristalina y la composición tienen un papel muy importante en los adsorbentes usados para eliminar el azufre en procesos de gasificación de carbón, biomasa y residuos. Las temperaturas de trabajo en un intervalo de temperaturas de entre 300 °C y 500 °C, juegan un papel crucial en los mecanismos de retención de azufre que consisten en la formación de sulfuros y otras especies sulfuradas minoritarias.The adsorbent is recovered from alkaline batteries and Zn/C batteries. It is composed of a mixture of Zn and Mn oxides with the formula Zn0.85Mn2.15O4 or Zn0.25Mn2.75O4, with tetragonal symmetry and a space group I41/amd that corresponds to the spinel structure. Crystalline structure and composition play a very important role in adsorbents used to remove sulfur in coal, biomass and waste gasification processes. Working temperatures in a temperature range between 300 °C and 500 °C play a crucial role in the sulfur retention mechanisms that consist of the formation of sulfides and other minor sulfur species.

El procedimiento de obtención de los adsorbentes de base espinela con formula Zn0,85Mn2,i5O4 o Zn0,25Mn2,75O4 a partir de pilas alcalinas y pilas de Zn/C recicladas comprende las siguientes etapas:The procedure for obtaining spinel-based adsorbents with the formula Zn0.85Mn2.i5O4 or Zn0.25Mn2.75O4 from alkaline batteries and recycled Zn/C batteries comprises the following stages:

a) Obtener la masa negra a partir de una pila alcalina reciclada y/o de una batería Zn/C reciclada; a) Obtain the black mass from a recycled alkaline battery and/or a recycled Zn/C battery;

b) Lixiviación ácida de la masa negra obtenida en la etapa (a) a temperatura ambiente preferentemente utilizando H2O, H2O2 y HCl en una relación 1:1:2;b) Acid leaching of the black mass obtained in step (a) at room temperature preferably using H2O, H2O2 and HCl in a 1:1:2 ratio;

c) Precipitar el líquido obtenido en la etapa (b) a un pH entre 12 y preferentemente utilizando NaOH.c) Precipitate the liquid obtained in step (b) at a pH between 12 and preferably using NaOH.

La primera etapa, la etapa (a) del procedimiento se refiere a obtener la masa negra a partir de una pila alcalina y/o de una batería de Zn/C recicladas. En la presente invención el término "masa negra” se refiere al solido inorgánico obtenido en las etapas de desmontaje de pilas y los electrolitos contenidos, donde el grafito y los óxidos de manganeso y zinc forman el ánodo y el cátodo de las pilas. Los principales componentes de las pilas son dióxido de manganeso (electrodo positivo), zinc (electrodo negativo), el electrolito (KOH o ZnCl2 NH4CO y acero (la cubierta de la batería). Estos residuos generan cierta preocupación en la sociedad ya que pueden tener efectos negativos en la salud púbica y el medio ambiente, debido principalmente a su alto contenido en metales pesados. El punto de partida para obtener la masa negra es la separación mecánica que tiene como objeto separar electrodos, acero, papel y plástico mediante etapas de cortado y triturado, separación magnética, separación dimensional (cribado), separación por corriente de Foucault (ECS) y trituración de la fracción de polvo.The first stage, stage (a) of the process refers to obtaining the black mass from an alkaline cell and/or a recycled Zn/C battery. In the present invention, the term "black mass" refers to the inorganic solid obtained in the battery disassembly stages and the contained electrolytes, where graphite and manganese and zinc oxides form the anode and cathode of the batteries. The main Battery components are manganese dioxide (positive electrode), zinc (negative electrode), the electrolyte (KOH or ZnCl2 NH4CO, and steel (the battery cover). These residues cause some concern in society as they can have negative effects in public health and the environment, mainly due to its high content of heavy metals.The starting point to obtain the black mass is the mechanical separation that aims to separate electrodes, steel, paper and plastic through cutting and grinding stages , magnetic separation, dimensional separation (screening), Eddy Current Separation (ECS) and grinding of the dust fraction.

La etapa (b) del procedimiento se refiere a la lixiviación en un medio ácido constante y de la masa negra obtenida en la etapa (a) a temperatura ambiente. Los sólidos resultantes se eliminan por filtración. El término “temperatura ambiente” se refiere aquí a un intervalo entre 17°C y 27°C.Stage (b) of the process refers to the leaching in a constant acidic medium and of the black mass obtained in stage (a) at room temperature. The resulting solids are removed by filtration. The term "room temperature" refers herein to a range between 17°C and 27°C.

Preferiblemente el medio acido usado en la etapa (b) es una solución ácida de H2O, H2O2 y HCl en una relación 1:1:2 por ejemplo una solución acida de 25% v/v de agua, un 25% v/v de H2O2 y un 50% HCl de 35% de pureza. Un porcentaje más bajo de H2O2 no disuelve adecuadamente el Mn y un porcentaje mayor aumenta las espumas durante el proceso de disolución y provoca el desbordamiento en el reactor. La lixiviación en medio ácido de la etapa (b) se continua con la precipitación del líquido obtenido en la etapa (b) a un pH de entre 12 y 14. La etapa (c) se refiere a una precipitación alcalina selectiva (etapa (c)) utilizando un medio alcalino. Preferentemente el medio alcalino utilizado en la etapa (c) es una disolución de NaOH o KOH, preferentemente NaOH. Las concentraciones preferidas para el medio alcalinos son mayores de 6M. Preferably the acid medium used in step (b) is an acid solution of H2O, H2O2 and HCl in a 1:1:2 ratio, for example an acid solution of 25% v/v of water, 25% v/v of H2O2 and 50% HCl of 35% purity. A lower percentage of H2O2 does not adequately dissolve Mn and a higher percentage increases foams during the dissolution process and causes overflow in the reactor. The leaching in an acid medium of stage (b) is continued with the precipitation of the liquid obtained in stage (b) at a pH between 12 and 14. Stage (c) refers to a selective alkaline precipitation (stage (c )) using an alkaline medium. Preferably the alkaline medium used in step (c) is a solution of NaOH or KOH, preferably NaOH. Preferred concentrations for alkaline media are greater than 6M.

Salvo que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que el que comúnmente entiende un experto ordinario en la materia a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden utilizar métodos y materiales similares o equivalentes a los aquí descritos. A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones, la palabra “comprender” y sus variantes no pretende excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o etapas. Los objetos, ventajas y características adicionales de la invención se harán aparentes a los expertos en la materia al examinar la descripción o podrán aprenderse mediante la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a título ilustrativo y no pretenden limitar la presente invención.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as is commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. Methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in the practice of the present invention. Throughout the description and claims, the word "comprising" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. Additional objects, advantages and features of the invention will become apparent to those skilled in the art upon examination of the description or may be learned by practice of the invention. The following examples and drawings are provided for illustrative purposes and are not intended to limit the present invention.

DESCRIPCIÓN BREBE DE LOS DIBUJOSBREBE DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

FIG. 1: Curvas de ruptura (10 bar, 400°C y SV=3500h-1) de óxidos recuperados BMO1, BMO2, BMO3, BMO4 y Z-Sorb IIIFIG. 1: Breakdown curves (10 bar, 400°C and SV=3500h-1) of recovered oxides BMO1, BMO2, BMO3, BMO4 and Z-Sorb III

FIG.2: Difractogramas de XRD para (a) muestra fresca y (b) muestras usadas de óxidos recuperados BMO1, BMO2, BMO3, BMO4FIG.2: XRD diffractograms for (a) fresh sample and (b) used samples of recovered oxides BMO1, BMO2, BMO3, BMO4

FIG. 3: Imágenes TEM para (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 muestras frescasFIG. 3: TEM images for (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 fresh samples

FIG.4: Análisis TEM-EDS para (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 muestras frescasFIG.4: TEM-EDS analysis for (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 fresh samples

FIG. 5: Imágenes TEM para (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 muestras usadasFIG. 5: TEM images for (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 used samples

FIG.6: Análisis TEM-EDS para (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 muestras usadasFIG.6: TEM-EDS analysis for (a) BMO1, (b) BMO2, (c) BMO3, (d) BMO4 used samples

EJEMPLOSEXAMPLES

MaterialesMaterials

En el presente documento se han estudiado diferentes muestras recuperadas de pilas recicladas para investigar su idoneidad como absorbentes de eliminación de azufre aplicables a la limpieza del gas de síntesis para su posterior conversión en productos de valor añadido como combustibles o químicos.In this document, different samples recovered from recycled batteries have been studied to investigate their suitability as absorbent for sulfur removal applicable to the cleaning of synthesis gas for its subsequent conversion into value-added products such as fuels or chemicals.

Las muestras estudiadas son óxidos metálicos binarios y se les ha identificado con la nomenclatura BMOX donde X va de entre 1 y 4. The samples studied are binary metal oxides and have been identified with the BMOX nomenclature where X ranges from 1 to 4.

Los óxidos recuperados BMOX (X=1-4) investigados se obtuvieron siguiendo un procedimiento que consiste en la lixiviación ácida a partir de masa negra, un residuo común generado por las pilas alcalinas gastadas y una posterior precipitación selectiva de la disolución resultante. Primero distintas cantidades de la masa negra se lixivian en 250 ml de milliQ wáter, 250 ml de H2O2 (Panreac®) y 500 ml de HCL (Panreac®) a temperatura ambiente durante 1h. Tras esto, para obtener los distintos óxidos binarios BMOX (X=1-4) se filtraron las mezclas y los líquidos recogidos se precipitaron con NaOH 6 M hasta alcanzar un pH de entre 12 y 14. Para obtener los óxidos binarios Zn0.85Mn2.15O4 y Zn0.25Mn2.75O4 se lixiviaron 100 g y 200 g de masa negra respectivamente.The recovered oxides BMOX (X=1-4) investigated were obtained following a procedure that consists of acid leaching from black mass, a common residue generated by spent alkaline batteries, and subsequent selective precipitation of the resulting solution. First, different amounts of the black mass are leached in 250 ml of milliQ water, 250 ml of H2O2 (Panreac®) and 500 ml of HCL (Panreac®) at room temperature for 1 hour. After this, to obtain the different BMOX binary oxides (X=1-4), the mixtures were filtered and the collected liquids were precipitated with 6 M NaOH until reaching a pH between 12 and 14. To obtain the binary oxides Zn0.85Mn2. 15O4 and Zn0.25Mn2.75O4 leached 100 g and 200 g of black mass, respectively.

Caracterización de los materialesCharacterization of materials

La caracterización física y química de todas las muestras. se realizó antes y después de los ensayos de desulfuración. Los análisis de fluorescencia con rayos X (XRF). difracción con rayos X (XRD) y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) proporcionaron información relevante sobre la estructura y composición de las muestras. mientras que el análisis con el microscopio de transmisión electrónica (TEM) se utilizó para obtener información relevante sobre la distribución de las fases activas en la superficie de las muestras.Physical and chemical characterization of all samples. was performed before and after the desulfurization tests. X-ray fluorescence analysis (XRF). X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) provided relevant information on the structure and composition of the samples. while the analysis with the transmission electron microscope (TEM) was used to obtain relevant information on the distribution of the active phases on the surface of the samples.

Primero se determinó la composición mineralógica de las muestras mediante un análisis de fluorescencia de rayos X (XRF) usando un espectrómetro dispersivo PANalyticalAxios (4 kW) y la caracterización estructural se llevó a cabo con un análisis de difracción de rayos X (XRD) utilizando un difractómetro Siemens D5000 (Cu Ka radiación). Los datos recogidos fueron refinados por el método Rietveld usando la versión 4.2 del programa analítico TOPAS (Bruker ASX).The mineralogical composition of the samples was first determined by X-ray fluorescence (XRF) analysis using a PANalyticalAxios dispersive spectrometer (4 kW) and structural characterization was carried out with X-ray diffraction (XRD) analysis using a Siemens D5000 diffractometer (Cu Ka radiation). The collected data were refined by the Rietveld method using version 4.2 of the TOPAS analytical program (Bruker ASX).

Para analizar la superficie de las muestras obtenidas se ha utilizado espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS). Los espectros de todas las muestras se registraron utilizando un espectrómetro Fisons MT500 equipado con un analizador de electrones hemisférico (CLAM2) y una fuente de rayos X no monocromática Mg Ka trabajando a 300W. Las energías de enlace se calibraron para el pico de C 1s a 285.0 eV. Los coeficientes atómicos se calcularon a partir de los coeficientes de intensidad máxima y los factores atómicos de sensibilidad notificados.To analyze the surface of the samples obtained, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) has been used. Spectra of all samples were recorded using a Fisons MT500 spectrometer equipped with a hemispherical electron analyzer (CLAM2) and a non-monochromatic MgKa X-ray source working at 300W. Binding energies were calibrated for the C 1s peak at 285.0 eV. Atomic coefficients were calculated from the reported peak intensity coefficients and sensitivity atomic factors.

La tabla 1 incluida a continuación detalla la composición de las muestras investigadas en términos de componentes principales determinados por difracción de rayos X (XRF). Table 1 below details the composition of the investigated samples in terms of main components determined by X-ray diffraction (XRF).

Tabla 1: Componentes elementales de las muestras estudiadasTable 1: Elemental components of the studied samples

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a comercialto commercial

b Recuperado a partir de pilasb Recovered from batteries

Se ha añadido una muestra de adsorbente comercial Z-Sorb-III a la tabla 1 a modo de comparación.A sample of commercial adsorbent Z-Sorb-III has been added to Table 1 for comparison.

En la tabla 1 se puede apreciar que las especies activas en las muestras recuperadas BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 consisten principalmente en Mn y Zn con un bajo contenido de Ni (<1%), mientras que en la muestra Z-Sorb-III el componente mayoritario es Zn con un contenido de Ni superior al 7%. Además, en la tabla 1 se puede observar que todas las muestras BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 presentan estructura espinela.In table 1 it can be seen that the active species in the recovered samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 consist mainly of Mn and Zn with a low content of Ni (<1%), while in the sample Z-Sorb-III the majority component is Zn with a Ni content greater than 7%. In addition, in table 1 it can be seen that all the samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 have a spinel structure.

Procedimiento experimentalExperimental procedure

Todas las muestras se suministraron en forma de polvo y se prepararon primeramente machacándolas en un mortero de ágata y después se hicieron pellets de ellas de tamaños en el rango de entre 0,5-1 mm utilizando una prensa hidráulica manual Specat de 15T.All samples were supplied in powder form and were prepared by first crushing them in an agate mortar and then pelletizing them to sizes ranging between 0.5-1mm using a Specat 15T manual hydraulic press.

Los análisis de las muestras se llevaron a cabo en un reactor de microactividad a escala de laboratorio, que es un sistema de laboratorio computarizado automático para el estudio de catalizadores y adsorbentes, equipado con tres controladores de flujo másico independientes para producir la mezcla de gases adecuada hasta 4,5 Nl/min de caudal de gas máximo y donde se pueden estudiar reacciones a hasta 600 °C y 30 bares de presión. Tanto el reactor (diámetro interno de 9,2 mm y 300 mm de longitud) como las tuberías y racores del sistema son de Hastelloy C, para evitar problemas de corrosión debido a1H2S.Sample analyzes were carried out in a laboratory-scale microactivity reactor, which is an automated computerized laboratory system for the study of catalysts and adsorbents, equipped with three independent mass flow controllers to produce the appropriate gas mixture. up to 4.5 Nl/min of maximum gas flow and where reactions can be studied at up to 600 °C and 30 bar pressure. Both the reactor (9.2 mm internal diameter and 300 mm long) and the system pipes and fittings are made of Hastelloy C, to avoid corrosion problems due to 1H2S.

En los experimentos se emplearon entre 2 y 3 gramos de cada muestra, una vez peletizada, y se realizaron ensayos de desulfuración a 10 bares de presión y 400°C, utilizando como alimentación una mezcla de gases con un 0,9% de H2S en N2 y una velocidad espacial de 3500 h-1 para simular un proceso de desulfuración de un gas de gasificación de biomasa con vapor. Los gases de entrada y de salida se analizaron con un cromatógrafo de gases CP4900 Varian, equipado con dos columnas, una Porapack y un tamiz molecular con dos detectores de conductividad térmica.In the experiments, between 2 and 3 grams of each sample were used, once pelletized, and desulfurization tests were carried out at 10 bar pressure and 400°C, using as feeding a mixture of gases with 0.9% H2S in N2 and a space velocity of 3500 h-1 to simulate a desulfurization process of a biomass gasification gas with steam. The inlet and outlet gases were analyzed with a Varian CP4900 gas chromatograph, equipped with two columns, a Porapack and a molecular sieve with two thermal conductivity detectors.

Para facilitar la comparación de las muestras estudiadas se calcularon los valores teóricos de capacidad de adsorción de azufre (S0) y de tiempo de adsorción (te) para cada una de las muestras basándose en estequiométricas de reacción (reacciones 1, 2, 3) y la cantidad de óxidos activos individuales presentes en cada muestra:To facilitate the comparison of the samples studied, the theoretical values of sulfur adsorption capacity (S0) and adsorption time (te) were calculated for each of the samples based on reaction stoichiometrics (reactions 1, 2, 3) and the amount of individual active oxides present in each sample:

ZnO H2S ^ ZnS H2OZnO H2S ^ ZnS H2O

NiO H2S ^ NiS H2ONiO H2S ^ NiS H2O

MnO H2S ^ MnS H2OMnO H2S ^ MnS H2O

Para el cálculo teórico de la capacidad de adsorción de cada muestra, So, se ha sumado la contribución de cada una de las tres especies activas individuales ZnO, MnO, NiO usando la siguiente ecuación [1]:For the theoretical calculation of the adsorption capacity of each sample, So, the contribution of each of the three individual active species ZnO, MnO, NiO has been added using the following equation [1]:

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La cantidad real de azufre capturada por el adsorbente (St(g)), asumiendo que todo el azufre es retenido por el adsorbente y que no se escapa nada de azufre en la corriente gaseosa a la salida del reactor hasta alcanzar un tiempo de ruptura ts dado, se ha calculado con la ecuación [2]:The actual amount of sulfur captured by the adsorbent (St(g)), assuming that all the sulfur is retained by the adsorbent and that no sulfur escapes in the gas stream at the reactor outlet until a breakthrough time ts is reached given, it has been calculated with the equation [2]:

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Dónde:Where:

MWs es la masa molecular de S,MWs is the molecular mass of S,

P es la presión absoluta en condiciones de sulfidación,P is the absolute pressure under sulfidation conditions,

Fgas es el flujo volumétrico de gas en condiciones de proceso,Fgas is the volumetric flow rate of gas at process conditions,

Yh2s representa la fracción molar de H2S en la entrada,And h 2 s represents the mole fraction of H2S in the input,

Rg es la constante universal de los gases yRg is the universal gas constant and

T es la temperatura absoluta en condiciones de sulfidación. T is the absolute temperature under sulfidation conditions.

El tiempo teórico de adsorción, to, se ha calculado como el cociente entre la cantidad teórica de azufre S que puede adsorber cada muestra, basado en su composición, y el flujo másico de azufre usado en cada experimento (g/min) según esta fórmula [3]:The theoretical adsorption time, to, has been calculated as the quotient between the theoretical amount of sulfur S that each sample can adsorb, based on its composition, and the mass flow of sulfur used in each experiment (g/min) according to this formula [3]:

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Como se puede apreciar, el tiempo teórico depende de la concentración inicial de sulfuro de hidrogeno, la presión de sulfidación y la temperatura, así como el flujo de gas y variará en función de las condiciones experimentales. Estos parámetros se usan para comparar la eficiencia de todas las muestras investigadas.As can be seen, the theoretical time depends on the initial concentration of hydrogen sulfide, the sulfidation pressure and temperature, as well as the gas flow, and will vary depending on the experimental conditions. These parameters are used to compare the efficiency of all investigated samples.

La tabla 2 recoge los valores teóricos S0 y t0 calculados para todas las muestras estudiadas. Tabla 2: Capacidad de adsorción de azufre y tiempo teóricos de las muestras estudiadas.Table 2 shows the theoretical values S0 and t0 calculated for all the samples studied. Table 2: Theoretical sulfur adsorption capacity and time of the studied samples.

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a Comercialto Commercial

b Recuperado de pilasb Recovered from batteries

La capacidad experimental de retención de azufre se obtuvo con el mismo procedimiento para todas las muestras: Primero se alcanzaron las condiciones de operación utilizando N2 como gas inerte. Cuando se alcanzaron las condiciones de operación estables (400 °C y 10 bar) se hizo pasar por el reactor una mezcla que consiste en 0,9% de H2S en N2. En todos los experimentos la composición del gas de salida se analizó continuamente, incluidos las etapas de calentamiento y enfriamiento, obteniendo así curvas de ruptura hasta que el gas de salida alcanzó una concentración de 0,1% v/v de H2S.The experimental sulfur retention capacity was obtained with the same procedure for all the samples: First, the operating conditions were reached using N2 as inert gas. When stable operating conditions were reached (400 °C and 10 bar), a mixture consisting of 0.9% H2S in N2 was passed through the reactor. In all experiments, the composition of the outlet gas was analyzed continuously, including the heating and cooling stages, thus obtaining rupture curves until the outlet gas reached a concentration of 0.1% v/v H2S.

Para evaluar el funcionamiento de las muestras en términos de la capacidad de eliminación de azufre se utiliza la eficiencia (%) de acuerdo con la formulaTo evaluate the performance of the samples in terms of sulfur removal capacity, the efficiency (%) is used according to the formula

[4] Eficiencia= St/S0 *100 [4] Efficiency= St/S0 *100

Finalmente, todas las muestras se caracterizaron por XRD, XPS y XRF para identificar los principales compuestos de azufre formados y potenciales cambios en la estructura de los adsorbentes durante el proceso de desulfuración. Los resultados se mostrarán a continuación.Finally, all the samples were characterized by XRD, XPS and XRF to identify the main sulfur compounds formed and potential changes in the structure of the adsorbents during the desulfurization process. The results will be displayed below.

ResultadosResults

Curvas de ruptura: capacidad de adsorción de azufreBreakdown curves: sulfur adsorption capacity

Todos los experimentos se llevaron a cabo bajo las mismas condiciones de operación (Presión = 10 bar, Temperatura = 400 °C, y velocidad espacial SV= 3500 h-1). La Figura 1 muestra las curvas de ruptura de todas las muestras recuperadas investigadas BMO1, BMO2, BMO3, BMO4, donde se ha incluido la curva de ruptura del adsorbente comercial Z-Sorb-III para tener una comparación.All experiments were carried out under the same operating conditions (Pressure = 10 bar, Temperature = 400 °C, and space velocity SV = 3500 h-1). Figure 1 shows the breakthrough curves of all investigated recovered samples BMO1, BMO2, BMO3, BMO4, where the breakthrough curve of the commercial adsorbent Z-Sorb-III has been included for comparison.

En la Figura 1, las curvas de ruptura muestran gran diferencia entre las distintas muestras investigadas: en un extremo la muestra BMO2 demuestra ser mejor que las demás, por otro, la muestra BMO4 es inferior a las demás. Entre ambas, las muestras BMO1 y BMO3 tienen un comportamiento bastante parecido entre ellas.In Figure 1, the rupture curves show a great difference between the different samples investigated: at one extreme, the BMO2 sample proves to be better than the others, at the other, the BMO4 sample is inferior to the others. Between both, the samples BMO1 and BMO3 have a quite similar behavior between them.

Al compararlas con la curva del adsorbente comercial Z-Sorb-III dos de las muestras rompen antes que el adsorbente comercial y las otras dos rompen más tarde, mostrando mayor eficiencia a la hora de eliminar azufre. Además, las dos muestras que demostraron mayor capacidad de adsorción también reflejan una pendiente de ruptura casi vertical, sugiriendo una rápida reacción de captura del H2S cuando ya no hay centros de adsorción disponibles.When comparing them with the curve of the commercial adsorbent Z-Sorb-III, two of the samples break before the commercial adsorbent and the other two break later, showing greater efficiency when it comes to removing sulfur. In addition, the two samples that showed the highest adsorption capacity also show an almost vertical rupture slope, suggesting a rapid H2S capture reaction when adsorption centers are no longer available.

La capacidad de adsorción de las muestras se expresa en gramos de azufre adsorbidos divididos por la masa (g) del adsorbente y multiplicado por 100, de acuerdo con la formula [5]:The adsorption capacity of the samples is expressed in grams of adsorbed sulfur divided by the mass (g) of the adsorbent and multiplied by 100, according to formula [5]:

St = (Sadsob(g)/Msorbent(g))*100St = (Sadsob(g)/Msorbent(g))*100

La tabla 3 recoge las capacidades de captura de S calculadas hasta que el H2S alcanza el 1% de la composición del gas de entrada. Table 3 lists the calculated S capture capacities until H2S reaches 1% of the inlet gas composition.

Tabla 3: Capacidad y eficiencia de eliminación de S (g/g %)Table 3: S removal capacity and efficiency (g/g %)

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a Comercialto Commercial

b Recuperado de pilasb Recovered from batteries

De acuerdo a los resultados obtenidos, el orden en términos de capacidad de eliminación de azufre es: BMO2 > BMO1 > BMO3 > BMO4, en completa coherencia con la eficiencia calculada y representada en la tabla 3 anterior.According to the results obtained, the order in terms of sulfur removal capacity is: BMO2 > BMO1 > BMO3 > BMO4, in complete consistency with the efficiency calculated and represented in table 3 above.

De acuerdo a la composición de las muestras (visto en la tabla 1) cabe destacar que aquellas muestras con menor contenido de Zn y un mayor contenido de Mn (BMO1 y BMO2) mostraron un mejor funcionamiento en cuanto a la eliminación de azufre que y una mayor eficiencia que las muestras con un mayor contenido de Zn y menor contenido de Mn (BMO3 y BMO4).According to the composition of the samples (seen in table 1) it should be noted that those samples with lower Zn content and higher Mn content (BMO1 and BMO2) showed a better performance in terms of sulfur removal than and a higher efficiency than samples with higher Zn content and lower Mn content (BMO3 and BMO4).

Proceso de sulfidación: influencia de la composición de las muestrasSulfidation process: influence of the composition of the samples

Se llevó a cabo la caracterización de los adsorbentes usados BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 (muestras usadas) y los resultados se compararon con las muestras frescas BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 con el fin de investigar los mecanismos de sulfidación y el papel del Mn en el proceso. El término adsorbente/muestra "gastado o usado” se refiere a las muestras BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 después de exponerlas a azufre en las condiciones experimentales de 10 bar de presión, 400 °C y una corriente de gas de 0,9% H2S / N2.The characterization of the used adsorbents BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 (used samples) was carried out and the results were compared with the fresh samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 in order to investigate the mechanisms of sulfidation and the role of Mn in the process. The term "spent or used" adsorbent/sample refers to samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 after exposing them to sulfur under the experimental conditions of 10 bar pressure, 400 °C and a gas stream of 0.9% H2S / N2.

La caracterización morfológica de las muestras frescas y usadas se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), utilizando un instrumento JEOL JEM 2100. Las muestras fueron dispersadas en butanol y las suspensiones se depositaron sobre rejillas de cobre revestidas de carbono de carbono. Las medidas de espectroscopía de dispersión de rayos X (XEDS) se realizaron en un instrumento OXFORD INCA. Morphological characterization of fresh and used samples was carried out by transmission electron microscopy (TEM), using a JEOL JEM 2100 instrument. Samples were dispersed in butanol and suspensions were spotted on carbon-coated copper grids. X-ray dispersive spectroscopy (XEDS) measurements were performed on an OXFORD INCA instrument.

La caracterización físico-química de las muestras investigadas frescas y usadas mostró diferencias significativas en composición, estructura y formación de especies sulfuradas. Se llevaron a cabo tres análisis diferentes: el análisis DRX proporcionó información de la estructura, cristalinidad y las principales fases cristalinas después de la sulfidación; el análisis XPS permitió la identificación de diferentes fases oxidadas de especies sulfidadas y finalmente el análisis TEM confirmó la presencia de fases, óxidos y sulfuros. Basado en esos resultados de caracterización en esta sección se describen algunos mecanismos plausibles para la eliminación de H2S.The physical-chemical characterization of the fresh and used samples investigated showed significant differences in composition, structure and formation of sulfur species. Three different analyzes were carried out: XRD analysis provided information on the structure, crystallinity and the main crystalline phases after sulfidation; the XPS analysis allowed the identification of different oxidized phases of sulfidated species and finally the TEM analysis confirmed the presence of phases, oxides and sulfides. Based on these characterization results, some plausible mechanisms for H2S removal are described in this section.

Análisis DRXXRD analysis

Inicialmente el análisis de DRX mostró que, después de la sulfidación, se observó una pérdida de la cristalinidad en las muestras estudiadas, lo cual puede ser indicativo de la formación de especies de azufre amorfas. Como los adsorbentes utilizados son materiales recuperados, no hay de patrones de referencia de estos materiales para una comparación directa, y sólo es posible usar las diferencias entre ellos y usar la comparación con los patrones de los óxidos de ZnO y MnO puros.Initially, the XRD analysis showed that, after sulfidation, a loss of crystallinity was observed in the samples studied, which may be indicative of the formation of amorphous sulfur species. As the adsorbents used are recovered materials, there are no reference standards of these materials for direct comparison, and it is only possible to use the differences between them and use the comparison with the standards of pure ZnO and MnO oxides.

En el caso de los patrones de difracción de DRX de las muestras frescas, los máximos de difracción más intensos para todas las muestras de los óxidos binarios obtenidos pueden ser indexados a una simetría tetragonal, con grupo espacial I41/amd (JCPDS 24-1133) lo cual es consistente con una estructura tipo espinela, con fórmula general ZnxMn3-xO4, con los correspondientes índices de Miller (hkl) mostrados en la FIG 2.In the case of the XRD diffraction patterns of the fresh samples, the most intense diffraction maxima for all the samples of the binary oxides obtained can be indexed to a tetragonal symmetry, with space group I41/amd (JCPDS 24-1133) which is consistent with a spinel-like structure, with the general formula ZnxMn3-xO4, with the corresponding Miller indices (hkl) shown in FIG 2.

Los picos adicionales, marcados en los patrones de DRX con cruces (x), correspondían a algunas impurezas relacionadas con el proceso de obtención.The additional peaks, marked in the XRD patterns with crosses (x), corresponded to some impurities related to the production process.

En el caso de la muestra BMO4, se registraron máximos de difracción indexados a la fase ZnO, marcados en el patrón de DRX con círculos (o).In the case of the BMO4 sample, diffraction maxima indexed to the ZnO phase were recorded, marked in the XRD pattern with circles (o).

Respecto a los patrones de difracción de las muestras usadas, se encontraron una estructura tipo espinela, con formula general ZnxMn3-xO4 así como la formación de nuevas fases adicionales como consecuencia del proceso de sulfuración por lo que se encontraron claras diferencias entre las muestras (ver FIG. 2):Regarding the diffraction patterns of the samples used, a spinel-type structure was found, with a general formula ZnxMn3-xO4, as well as the formation of new additional phases as a consequence of the sulfurization process, for which clear differences were found between the samples (see FIG.2):

• En el caso de la muestra BMO2, se observaron máximos de difracción que pueden ser indexados a una fase a-MnO2 con estructura cúbica (JCPDS 06-0518). • In the case of the BMO2 sample, diffraction maxima were observed that can be indexed to an a-MnO2 phase with a cubic structure (JCPDS 06-0518).

• Por el contrario, en la muestra BMO1, se encontraron las fases a-MnO2 y B-MnO2 (JCPDS 40-1289).• On the contrary, in the BMO1 sample, the a-MnO2 and B-MnO2 phases were found (JCPDS 40-1289).

• Las muestras BMO3 y BMO4 presentan máximos de difracción atribuibles a la fase y -MnO2.• The samples BMO3 and BMO4 present diffraction maxima attributable to the phase and -MnO2.

• Se identificó la inesperada formación de S elemental en las muestras BMO1 y BMO2; la formación de S elemental ocurre en las muestras con mayor contenido en Mn.• Unexpected elemental S formation was identified in samples BMO1 and BMO2; the formation of elemental S occurs in the samples with higher Mn content.

• El patrón de difracción de la muestra comercial Z-sorb-III usada o gastada exhibe la presencia de la fase ZnS hexagonal tipo wurtzita (JCPDS 36-1450).• The diffraction pattern of the used or spent Z-sorb-III commercial sample exhibits the presence of the wurtzite-type hexagonal ZnS phase (JCPDS 36-1450).

La Tabla 3 muestra los resultados obtenidos a partir de los refinamientos de Rietveld de los datos de DRX de las muestras frescas y usadas.Table 3 shows the results obtained from the Rietveld refinements of the XRD data of the fresh and used samples.

Tabla 3. Resultados obtenidos a partir de los refinamientos Rietveld de las muestras frescas y usadas.Table 3. Results obtained from the Rietveld refinements of the fresh and used samples.

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Figure imgf000014_0001

a Comercial; Composición de la muestra fresca obtenida mediante luorescencia de rayos-X b Recuperadas de pilas to Commercial; Composition of fresh sample obtained by X-ray fluorescence b Recovered from batteries

Una explicación para la observación de fases adicionales es que el sulfuro de manganeso puede cristalizar en tres estructuras diferentes a -, B- y r-MnS y a bajas temperaturas (entre 100-400 °C) se forman las fases B- y r-MnS, y se transforman a a -MnS.One explanation for the observation of additional phases is that manganese sulfide can crystallize in three different structures a -, B- and r-MnS and at low temperatures (between 100-400 °C) the B- and r-MnS phases are formed. , and transform to a -MnS.

Como era de esperar, las principales especies sulfuradas formadas fueron sulfuros de Zn y Mn, en las formas ZnS y MnS. Sin embargo, los análisis muestran la presencia inesperada de azufre elemental (S) en las muestras usadas y cabe resaltar que esta formación de azufre fue identificada cuantitativamente (> 8%) en aquellas muestras con mayor capacidad de eliminación de azufre que fueron aquellas con mayor contenido de manganeso. Esta formación de azufre elemental fue inicialmente inesperada debido a que todos los experimentos se realizaron en un medio reductor, utilizando una mezcla de gas H2S/N2, en ausencia de oxígeno.As expected, the main sulfide species formed were Zn and Mn sulfides, in the ZnS and MnS forms. However, the analyzes show the unexpected presence of elemental sulfur (S) in the samples used and it should be noted that this sulfur formation was identified quantitatively (> 8%) in those samples with the highest sulfur removal capacity that were those with the highest manganese content. This elemental sulfur formation was initially unexpected because all experiments were performed in a reducing medium, using a H2S/N2 gas mixture, in the absence of oxygen.

XPS análisisXPS analysis

La Tabla 4 resume los resultados de la caracterización mediante XPS de las muestras frescas (a) y usadas (b) BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4.Table 4 summarizes the results of the XPS characterization of the fresh (a) and used (b) samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4.

Tabla 4: a) Resultados de XPS de las muestras frescasTable 4: a) XPS results of fresh samples

Muestra Muestras frescasSample Fresh Samples

Mn/Zn Mn2+ Mn3+ Mn4+Mn/Zn Mn2+ Mn3+ Mn4+

BMO1 8,3 14,5 3 7,8BMO1 8.3 14.5 3 7.8

BMO2 12,2 15,4 4,4 8,5BMO2 12.2 15.4 4.4 8.5

BMO3 1,3 6,3 7,3 5,5BMO3 1.3 6.3 7.3 5.5

BM04 0,6 3,4 2,1 7,1BM04 0.6 3.4 2.1 7.1

Tabla 4: b) Resultados de XPS de las muestras usadasTable 4: b) XPS results of the samples used

Muestra Muestras usadasSample Samples used

ZnS NiS MnS/MnS2 MnSO4 NÍSO4 SZnS NiS MnS/MnS2 MnSO4 NISO4 S

BMO1 16,5 - 50,6 26,7 - 13,3BMO1 16.5 - 50.6 26.7 - 13.3

BMO2 24,6 - 33,6 38,4 - 13,7BMO2 24.6 - 33.6 38.4 - 13.7

BMO3 7,2 - 78,1 14,7 - 16,4BMO3 7.2 - 78.1 14.7 - 16.4

BM04 7,8 - 82,2 8,8 - 14,4BM04 7.8 - 82.2 8.8 - 14.4

Z-Sorb III 74,7 10,1 - - 15,6 11,8 Z-Sorb III 74.7 10.1 - - 15.6 11.8

En el caso de las muestras frescas BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4, las bandas obtenidas se pueden atribuir a las energías de enlace de MnO, Mn2O3, y MnO2 mostrando que Mn(II), Mn(III), y Mn(IV) están presentes en las muestras.In the case of the fresh samples BMO1, BMO2, BMO3, and BMO4, the bands obtained can be attributed to the binding energies of MnO, Mn2O3, and MnO2, showing that Mn(II), Mn(III), and Mn(IV) are present in the samples.

Los análisis de las muestras usadas BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 muestran la presencia de diferentes especies sulfuradas, las cuales incluyen sulfuros (ZnS, MnS, MnS2, NiS) así como sulfatos (MnSO4, NiSO4). Cabe destacar que las muestras que comprenden una mayor cantidad de MnS presentan una menor capacidad de retención de azufre (ver los resultados para las muestras BMO3 y BMO4).The analyzes of the used samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 show the presence of different sulfur species, which include sulfides (ZnS, MnS, MnS2, NiS) as well as sulfates (MnSO4, NiSO4). It should be noted that the samples that comprise a higher amount of MnS have a lower sulfur retention capacity (see the results for samples BMO3 and BMO4).

Cuando se comparan las bandas de XPS de las muestras frescas y usadas, se observa un pequeño desplazamiento en las energías de enlace (Tabla 5) lo cual sugiere que hayan podido ocurrir transformaciones durante el proceso de sulfidación en el presente trabajo (como referencia: MnO2 (641,9 eV-642,6 eV) y MnO (640 eV-641,7 eV)).When the XPS bands of the fresh and used samples are compared, a small shift in the binding energies is observed (Table 5), which suggests that transformations may have occurred during the sulfidation process in this work (as reference: MnO2 (641.9 eV-642.6 eV) and MnO (640 eV-641.7 eV)).

Tabla 5: Energías de enlace para los óxidos Mn-O identificados por XPS antes y después de los ensayos de sulfidación.Table 5: Binding energies for Mn-O oxides identified by XPS before and after sulfidation tests.

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Figure imgf000016_0001

Durante la eliminación oxidativa de H2S, se demostró que varios óxidos masivos de manganeso son adsorbentes activos o catalíticos y la reacción de intercambio O/S genera agua y óxidos de manganeso que contienen azufre. De acuerdo a esa aproximación, la formación de MnS2 a partir de MnO2 podría explicarse por el intercambio entre oxígeno y azufre en las muestras durante los ensayos de sulfidación según la siguiente secuencia:During the oxidative removal of H2S, several massive manganese oxides were shown to be active or catalytic adsorbents and the O/S exchange reaction generates water and sulfur-containing manganese oxides. According to this approximation, the formation of MnS2 from MnO2 could be explained by the exchange between oxygen and sulfur in the samples during the sulfidation tests according to the following sequence:

MnO2 H2S = MnOS H2OMnO2H2S = MnOSH2O

MnOS H2S = MnS2 H2OMnOSH2S = MnS2H2O

La formación de sulfatos es evidente en todas las muestras usadas BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 y, a pesar de que es inesperado debido a la atmosfera reductora en el medio de reacción, de alguna manera es coherente con la formación de azufre elemental observada por DRX. La coexistencia de diferentes estados de oxidación del Mn en los materiales recuperados frescos, ya confirmados por XPS (ver Tabla 4), podrían facilitar la disponibilidad de O2 durante el proceso de sulfidación el cual podría combinarse con el H2S para formar SO2 (reacción 5):The formation of sulfates is evident in all the samples used BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 and, although it is unexpected due to the reducing atmosphere in the reaction medium, it is somehow consistent with the formation of elemental sulfur observed by XRD. The coexistence of different oxidation states of Mn in materials fresh recovered, already confirmed by XPS (see Table 4), could facilitate the availability of O2 during the sulfidation process, which could combine with H2S to form SO2 (reaction 5):

H2S 3O2 = SO2 H2O (5)H2S 3O2 = SO2 H2O (5)

La temperatura (T = 400 °C) y la presión (P = 10bar) utilizadas aquí podrían facilitar la formación de enlaces S-O que además dan lugar a la formación de SO2.The temperature (T = 400 °C) and pressure (P = 10bar) used here could facilitate the formation of S-O bonds that also lead to the formation of SO2.

La presencia de sulfatos en las muestras usadas BMO1, BMO2, BMO3 y BMO4 solo se puede explicar si hay algo de oxígeno y SO2 disponible durante el proceso de sulfuración, su presencia en dichas muestras sugiere la formación de SO2 como especie intermedia y la reacción con especies oxidadas de Mn siguiendo algunas de las siguientes reacciones:The presence of sulfates in the used samples BMO1, BMO2, BMO3 and BMO4 can only be explained if there is some oxygen and SO2 available during the sulfurization process, their presence in these samples suggests the formation of SO2 as an intermediate species and the reaction with oxidized species of Mn following some of the following reactions:

2Mn2O3 4SO2 O2 = 4MnSO42Mn2O3 4SO2 O2 = 4MnSO4

Mn3O4 3 SO2 O2 = 3MnSO4Mn3O4 3 SO2 O2 = 3MnSO4

MnS 2 O2 = MnSO4MnS2O2 = MnSO4

MnO2 SO2 = MnSO4MnO2 SO2 = MnSO4

La relación sulfitos/sulfatos/S formada en el proceso de sulfidación de cada una de las muestras estudiadas parece depender mucho de su estructura (espinela) y de su composición ya que determinan la disponibilidad de O2 y la formación de SO2 en las condiciones de operación utilizadas (400 °C y 10 bar). En línea con los resultados obtenidos en el análisis XRD, aquellas muestras con una mayor concentración MnS (BMO3 y BMO4) muestran una menor formación de sulfatos, lo cual es coherente con la existencia de un equilibrio entre MnS y MnSO4. Hay que tener en cuenta que el MnSO4 requiere de al menos 600 °C, no se espera ninguna descomposición a las temperaturas del proceso utilizadas (400 °C).The sulfites/sulfates/S ratio formed in the sulfidation process of each of the samples studied seems to depend a lot on their structure (spinel) and their composition, since they determine the availability of O2 and the formation of SO2 under operating conditions. used (400 °C and 10 bar). In line with the results obtained in the XRD analysis, those samples with a higher concentration of MnS (BMO3 and BMO4) show a lower formation of sulfates, which is consistent with the existence of a balance between MnS and MnSO4. Note that MnSO4 requires at least 600 °C, no decomposition is expected at the process temperatures used (400 °C).

Análisis TEMTEM analysis

Las micrografías TEM de las muestras frescas (FIG. 3) confirman que la fase principal era la espinela ZnxMn3-xO4, como previamente se identificó con el análisis XRD.TEM micrographs of the fresh samples (FIG. 3) confirm that the main phase was spinel ZnxMn3-xO4, as previously identified by XRD analysis.

Las muestras frescas BMO1 y BMO2 con mayor contenido de Mn muestran partículas con una forma regular (FIG. 3(a), 4(a) y 3(b), 4(b)) mientras que las muestras frescas BMO3 y BMO4 con menor contenido de Mn muestran una forma casi esférica (FIG. 3(c), 4(c) y 3(d), 4(d)). particularmente en la imagen que se corresponde con la muestra BMO4 (FIG. 3(d), 4(d)), se pueden encontrar estructuras con forma de tubo que están asociadas a la presencia de ZnO.Fresh samples BMO1 and BMO2 with higher Mn content show particles with a regular shape (FIG. 3(a), 4(a) and 3(b), 4(b)) while fresh samples BMO3 and BMO4 with lower Mn content show a nearly spherical shape (FIG. 3(c), 4(c) and 3(d), 4(d)). particularly in the image that corresponds to the BMO4 sample (FIG. 3(d), 4(d)), tube-shaped structures can be found that are associated with the presence of ZnO.

En las muestras usadas se puede observar un aumento de partículas aglomeradas además de partículas sin forma determinada (FIG. 5).In the samples used, an increase in agglomerated particles can be observed in addition to particles without a determined shape (FIG. 5).

La pérdida de formas poliédricas en las partículas parece indicar la transformación de ZnxMn3-xO4 de las fases espinela a otras fases menos cristalinas y/o totalmente amorfas. Estos resultados concuerdan con los del análisis XRD descritos anteriormente, donde las medidas obtenidas con el análisis XRD indicaban que el proceso de sulfidación de las muestras daba lugar a un menor grado de cristalinidad para todas las muestras analizadas y esto se confirma con las micrografías de los análisis TEM.The loss of polyhedral shapes in the particles seems to indicate the transformation of ZnxMn3-xO4 from the spinel phases to other less crystalline and/or totally amorphous phases. These results agree with those of the XRD analysis described above, where the measurements obtained with the XRD analysis indicated that the sulfidation process of the samples gave rise to a lower degree of crystallinity for all the samples analyzed and this is confirmed by the micrographs of the samples. TEM analysis.

Los espectros obtenidos de energía dispersiva de las muestras frescas y usadas (FIG. 4, 6) obtenidos del análisis TEM-EDS también confirman los cambios ocurridos durante el proceso de sulfidación. Se puede apreciar que para las muestras frescas las fases contenían dos picos característicos correspondientes al Zn y al Mn. En cambio, en las muestras usadas, se ve además un pico característico correspondiente al Ka del S. Y estos resultados confirman la adsorción de H2S en las muestras.The obtained energy dispersive spectra of the fresh and used samples (FIG. 4, 6) obtained from the TEM-EDS analysis also confirm the changes that occurred during the sulfidation process. It can be seen that for the fresh samples the phases contained two characteristic peaks corresponding to Zn and Mn. Instead, in the samples used, a characteristic peak corresponding to the Ka of S is also seen. And these results confirm the adsorption of H2S in the samples.

Finalmente, también se encontraron picos adicionales atribuibles a las rejillas de cobre recubiertas de carbono.Finally, additional peaks attributable to the carbon-coated copper grids were also found.

Los resultados de funcionamiento y de caracterización obtenidos, han demostrado que la estructura basada en espinela y la composición de los óxidos mixtos recuperados de pilas recicladas, en especial de las especies de manganeso, tienen un papel crucial en el mecanismo de desulfuración. The performance and characterization results obtained have shown that the spinel-based structure and composition of the mixed oxides recovered from recycled batteries, especially manganese species, play a crucial role in the desulfurization mechanism.

Claims (3)

REIVINDICACIONES 1. Uso de adsorbentes recuperados de base espinela con formula Zno,85Mn2,i5O4 o Zno,25Mn2,75O4 que trabajan a una temperatura de entre 300 °C y 500 °C para la eliminación de azufre en los procesos de gasificación.1. Use of recovered spinel-based adsorbents with the formula Zno,85Mn2,i5O4 or Zno,25Mn2,75O4 that work at a temperature between 300 °C and 500 °C for the removal of sulfur in gasification processes. 2. El uso según la reivindicación 1 para la eliminación de azufre en procesos de gasificación de carbono, biomasa y residuos.2. The use according to claim 1 for the removal of sulfur in carbon, biomass and waste gasification processes. 3. El uso según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el adsorbente se ha obtenido a partir de pilas alcalinas o pilas de Zn/C recicladas. 3. The use according to any of claims 1 or 2, wherein the adsorbent has been obtained from alkaline batteries or recycled Zn/C batteries.
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