Tamices moleculares de carbón
Los tamices moleculares son sólidos que pueden ser usados
para separar los componentes moleculares de una mezcla. Este término es habitualmente usado para denominar a determinados sólidos microporosos, en particular a algunas zeolitas y ciertos materiales de carbón microporoso. Estos materiales presentan
una distribución de tamaños de poro muy estrecha, poseyendo además la característica de diferenciar entre moléculas en base a sus diferentes dimensiones moleculares. Una de las aplicaciones más importantes de estos materiales es la separación
de N2 y O2 del aire. Dado que la diferencia en los diámetros cinéticos de estas dos moléculas es de menos de 0.02 nm, es evidente que el diseño de los tamices moleculares requiere de un control muy riguroso del tamaño de poros. Otras importantes
aplicaciones industriales de los tamices moleculares son: la purificación de gas natural, obtención de CH4 de mezclas de gases, recuperación de H2 de gases de reformado del petróleo y separación/recuperación de gases a partir de biogás. Los
principales componentes que han des er separados en este tipo de aplicaciones son: CO2, CH4, H2, N2, CO y H2S.
Los primeros tamices moleculares de carbón fueron obtenidos a
partir de un copolímero PVC/PVCD o de alcohol polifurfurílico. Desde entonces se han usado un gran variedad de de polímeros diferentes tales como: resinas fenólicas, PAN, keblar, poliimidas, viscosa, rayón y fibras de carbono obtenidas a partir
de PAN o breas. En los últimos años se han desarrollado también materiales compuestos que usan materiales carbonosos, alúminas macroporosas o membranas de acero inoxidable como sustratos sobre los cuales se depositan películas de carbono que
poseen propiedades de tamices moleculares. En todos los casos el objetivo que se persigue es maximizar la capacidad de adsorción a la vez que se mantiene un control del tamaño de los poros dentro de unos límites muy estrictos. De esta forma se
maximiza la capacidad de adsorción de uno de los gases de la mezcla frente al resto.
Los tamices moleculares se emplean por lo general combinados con
técnicas de PSA (pressure swing adsorption). Básicamente consiste
en alimentar la mezcla de gases a una cámara de adsorción rellena con el tamiz molecular, a la vez que se aumenta la presión sobre esta cámara. De esta forma uno de los gases queda preferentemente
adsorbido mientras que el otro gas es arrastrado fuera de la cámara. Cuando esta cámara está saturada, se alimenta una segunda cámara donde se repite el proceso anterior, a la vez que se descomprime la primera cámara, liberándose así el gas
retenido, que por lo general vuelve a ser una mezcla de los gases alimentados pero con una concentración mucho mayor en el gas que se desea separar y que es el que se ha adsorbido de forma preferencial. Dependiendo de la eficacia del tamiz molecular
puede ser necesario repetir el proceso sucesivas veces hasta obtener el gas con la pureza deseada.
Los principales
métodos de prelación de tamices moleculares de carbón son:
Carbonización/activación en condiciones controladas. Los tamices moleculares de carbón pueden producirse directamente bien en un único proceso
de carbonización/activación, bien activando un material de carbón con un tamaño de poro ligeramente inferior al requerido. Para ello es necesario operar en condiciones tales que el tamaño de las entradas de los poros pueda ajustase al deseado.
Es necesario pues, mantener unas condiciones muy controladas del proceso de activación, que generalmente se lleva a cabo con CO2 u O2. Una de las mayores desventajas de este procedimiento es que el grado de quemado ha de ser muy pequeño para poder
mantener el tamaño de los poros dentro de los límites deseados. Como resultado, el volumen de microporos es también pequeño, lo cual representa una limitación importante tanto de la capacidad de adsorción como de la selectividad del tamiz
molecular así obtenido.
CVD (chemical
vapour deposition). Esta técnica requiere un sustrato de un material carbonosos microporoso, con un tamaño de poro ligeramente mayor que el tamaño
requerido para la preparación del tamiz molecular de carbón. El tamaño de poro se reduce hasta el tamaño deseado mediante el depósito de carbono amorfo a la entrada de los poros. Un proceso de preparación típico requiere calentar el sustrato a
una temperatura de 700-900ºC mientras se mantiene en contacto con un flujo de 5-10% de propileno, o benceno, o metano, durante 5-30 minutos. Existen también dos variantes de este método, en una de ellas
el propileno se adsorbe químicamente a la entrada de los poros a temperatura baja y luego se descompone calentando el carbón a la temperatura requerida para la descomposición del carbono amorfo a la entrada de los poros. Otra variante implica el
depósito de un catalizador a la entrada de los poros de forma que se incremente la quimisorción.
Depósito de una película de polímero, o un precursor de un polímero, o una película de brea sobre un sustrato poroso como carbón activo, o carbón mineral o membrana macroporosa. Este depósito se hace por simple mezclado, o mediante métodos más específicos para cada tipo de material. A continuación se somete el material a un proceso de secado y polimerización, si fuese necesario, y finalmente se procede a un proceso de carbonización/activación en condiciones controladas que dan lugar a las propiedades de tamiz molecular.
© 2006 J. Ángel Menéndez