Preparación, caracterización y aplicaciones de Carbones activados preparados a partir de lignina Kraft.

• Main Author: Torné Fernández, Vanessa
• Other Authors: Montané i Calaf, Daniel
• Format: Doctoral Thesis
• Language: Spanish
• Published: Universitat Rovira i Virgili 2006
• Subjects: porositat; components orgànics volàtils; adsorció; carbó actiu; 504; 66
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/8543; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9788469076002

La creciente demanda de productos altamente purificados requiere el desarrollo tecnológico de métodos de separación cada vez más selectivos y el entendimiento de los procesos físicos y químicos que tienen lugar. Actualmente, los materiales que se usan principalmente en los métodos de separación y purificación son los adsorbentes porosos basados en zeolitas y los de naturaleza carbonosa. En ambos casos, su estructura microporosa permite la separación basada en el tamaño y/o forma de las moléculas de los componentes que se pretenden separar aunque los materiales carbonosos presentan ventajas como selectividad por la forma (moléculas planas), alta hidrofobicidad, alta resistencia en medios alcalinos y ácidos y estabilidad térmica a temperaturas más altas en atmósferas inertes.Los materiales carbonosos se pueden obtener a partir de una gran variedad de materiales (carbones minerales, materiales biomásicos y sintéticos) y el uso de productos secundarios en diferentes procesos industriales es una opción recomendada, no únicamente desde el punto de vista medioambiental, sino también en el económico. La lignina Kraft es un subproducto muy abundante en la industria de fabricación de papel que puede ser utilizado como precursor en la producción de carbones activos tal y como ha sido objeto de estudio anteriormente.El objetivo de este estudio es la obtención de carbones esencialmente microporosos por activación química con H3PO4 e hidróxidos (NaOH y KOH). Las variables de operación que se han estudiado son la relación agente activante / lignina Kraft, la temperatura de carbonización, el tiempo de activación, el caudal de la atmósfera durante el proceso de pirólisis y la velocidad de calentamiento, ya que afectan a las propiedades físicas y químicas del carbón obtenido.Como consecuencia de este estudio, se han elaborado conclusiones relacionadas con las reacciones que tienen lugar debido a la presencia de diferentes tipos de agentes activantes, los productos de las reacciones producidas y las condiciones de operación del proceso. Esto ha permitido entender la razón por la cual algunas variables tienen un efecto más importante en las características finales del carbón, con el fin de poder controlar el desarrollo de estas propiedades y, por tanto, la aplicación final del producto.En el caso de la activación con ácido fosfórico, las condiciones de operación que presentan un mayor efecto son la temperatura de carbonización y la relación másica entre la cantidad de ácido añadido y la de lignina Kraft (P/L) favoreciendo la activación. Las condiciones a las cuales se obtienen mayores áreas específicas son a 600ºC con una P/L de 1.4 a las cuales se obtienen valores de hasta 1250 m2/g con una alta microporosidad.En el caso de la activación con hidróxidos, la temperatura de carbonización y la relación agente activante - lignina Kraft (R) también tienen un efecto muy importante, tal y como tiene lugar en la activación con ácido fosfórico. Sin embargo, el incremento de caudal de nitrógeno produce un ligero aumento del rendimiento debido a la eliminación de reactivo mientras que el tiempo de activación y la velocidad de calentamiento no afectan de forma significativa a este parámetro. A condiciones muy severas de operación, a temperaturas mayores de 750ºC y R de más de 4, se propicia el colapso de la estructura. Los grupos ácidos y básicos de superficie evolucionan de manera diferente dependiendo del agente activante empleado experimentando, en general, un mayor desarrollo al aumentar las condiciones de operación más significativas. Los análisis de adsorción de nitrógeno han confirmado la obtención de carbones esencialmente microporosos con superficies especificas de hasta 3000 m2/g que unidos a la fuerte acidez de la superficie los convierten en materiales adsorbentes muy atractivos a temperaturas de 750ºC y R de 3. === The increasing demand of products highly purified requires the technological development of more selective methods of separation and the understanding of the physical and chemical processes that take place. At the moment, the materials that are mainly used in the methods of separation and purification are porous adsorbent based on zeolites and those of carbonaceous nature. In both cases, its microporous structure allows the separation based on the size and/or forms of molecules of the components that are tried to separate although the carbonaceous materials display advantages as selectivity by the form (flat molecules), high hydrophobicity, high alkaline and acid resistance and thermal stability to higher temperatures in inert atmospheres.The carbonaceous materials can be obtained from a great variety of materials (mineral coals, and biomassic or synthetic materials) and the use of by-products obtained in different industrial processes is a recommended option, not only from the environmental point of view, but also the economic one. Kraft lignin is a very abundant by-product in the industry of manufacture of paper that can be used as precursor in the activated carbon production as it has been study in the pass.The objective of this study is the obtention of carbons mainly microporous by chemical activation with H3PO4 and hydroxides (NaOH and KOH). The operation variables that have been studied are the mass relation between chemical agent and Kraft lignin, the carbonization temperature, the activation time, the volume flow of the atmosphere during the pyrolysis process and the heating rate, since they affect to the physical and chemical properties of the final product.As a result of this study, conclusions related to the reactions that take place due to the presence of different types of activating agents, the products obtained and the operation conditions have been elaborated. This has allowed understanding the reason for which some variables have a more important effect in the final characteristics of the coal, with the purpose of being able to control the development of these properties and, therefore, the final application of the product.In the phosphoric acid activation, the conditions of operation that presents more effect are the carbonization temperature and the mass ratio between the added amount of acid and the Kraft lignin (P/L), increasing the activation. The optimum conditions where higher specific areas are obtained (1250 m2/g) are 600ºC with a P/L of 1.4.In the chemical activation with hydroxides, the carbonization temperature and the mass ratio between activating agent and Kraft lignin (R) also has a very important effect, as it occurs in the activation with phosphoric acid. Nevertheless, the increase of nitrogen volume produces a slight increase of the yield due to the reagent elimination whereas the time of activation and the speed of heating do not have a significant effect. At very severe operation conditions, temperatures higher than 750ºC and R larger than 4, the collapse of the structure is caused. The acid and basic groups develop in a different way depending on the activante agent used, but in general, a greater development when increasing the more significant operation conditions. The analyses of nitrogen adsorption have confirmed the essentially microporous activated carbons are obtained with specific surfaces up to 3000 m2/g that with the strong acidity of the surface, producing an attractive material as adsorbent at temperatures of 750ºC and R of 3.