Resumen: En este trabajo se han preparado y caracterizado materiales carbonosos avanzados, como son los aerogeles monolíticos de carbón. Estos materiales se pueden preparar a partir de la policondensación de ciertos monómeros orgánicos mediante el método sol-gel. Una vez obtenido el gel orgánico, éste se somete a un secado supercrítico para no destruir su incipiente textura porosa y se carboniza en atmósfera inerte a alta temperatura. Posteriormente, el aerogel de carbón se puede activar para incrementar su área superficial y porosidad. Básicamente, los aerogeles de carbón tienen una estructura reticular formada por partículas primarias de tamaño nanométrico que están interconectadas. Con respecto a su estructura porosa, los microporos están relacionados con la estructura intrapartícula, mientras que los meso-macroporos lo están con el espacios entre partículas, el cual es, fundamentalmente, el que ha dejado el disolvente. Por lo tanto, es posible controlar la concentración de los microporos y mesoporos independientemente. Esto es una ventaja de los aerogeles de carbón como materiales porosos. Puesto que la textura porosa se puede diseñar y controlar a escala nanométrica, estos materiales se clasifican como materiales nanoestructurados. Otras ventajas de estos materiales es que se pueden obtener con una elevada pureza y con distintas formas: polvo, esferas, películas o monolitos. Por todas estas características los aerogeles monolíticos de carbón pueden utilizarse como adsorbentes en distintas aplicaciones, como puede ser la eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COV) del aire. El estudio de la eliminación de COV tiene un gran interés debido al efecto nocivo de estos contaminantes, incluso a bajas concentraciones. Los COV se emiten a partir de gran variedad de fuentes antropogénicas: combustión, almacenamiento y transporte de combustibles, utilización de disolventes y emisiones de la industria. Estos compuestos juegan un papel clave en la formación de ozono troposférico y de otros agentes oxidantes de la atmósfera que pueden dar lugar al smog fotoquímico [1]. La creciente evidencia de la importancia ambiental de estos contaminantes ha modificado las estrategias tradicionales de gestión de la calidad del aire. Recientemente han sido incorporadas al ordenamiento jurídico
español mediante Reales Decretos o Leyes [2] varias Directivas europeas [3] que incluyen de forma explícita a los COV. Como se ha comentado más arriba, para la eliminación de COV del aire es importante utilizar adsorbentes con un elevado volumen de microporos, ya que es en ellos donde tiene lugar la adsorción. Debido a que la recuperación del adsorbente y de los COV se produce mediante un proceso de desorción (al pasar una corriente de gas a través del adsorbente), es necesario controlar otro tipo de parámetros texturales. Así, para obtener un carbón con una elevada capacidad de trabajo -es decir, para que pueda ser utilizado en repetidos ciclos de adsorción-desorción-, debe desorber la mayor cantidad posible de COV antes retenidos. En este sentido, se debe controlar la distribución del tamaño de poros para permitir una cinética rápida en los procesos de adsorción-desorción. Por otra parte, a la hora de trabajar con elevados flujos de gas, es necesario utilizar lechos de adsorbentes con una forma adecuada. Su diseño debe permitir suficiente tiempo de contacto para la adsorción de COV sin incurrir, al mismo tiempo, en una elevada caída de presión a través del lecho. Por esta razón, además, los aerogeles monolíticos de carbón son adecuados para esta aplicación. El objetivo de esta Tesis Doctoral es el estudio de la preparación y caracterización de aerogeles monolíticos para su uso como adsorbentes de los compuestos orgánicos conocidos como BTX (benceno, tolueno y xilenos), los cuales están relacionados con el tráfico intenso en áreas urbanas y en el uso de disolventes y pintura 8 s indust 114d riales. En la preparación de los aerogeles monolíticos de carbón se han utilizado distintos catalizadores, ácidos o básicos, y disolventes con objeto de estudiar su efecto en las propiedades superficiales, texturales y mecánicas de los materiales finales. El objetivo es obtener adsorbentes con una adecuada porosidad para conseguir una buena adsorción-desorción de los BTX. Por otra parte, las propiedades mecánicas de los aerogeles monolíticos de carbón obtenidos también son importantes, puesto que deben de ser capaces de soportar ciertos esfuerzos mecánicos causados, tanto por su almacenamiento como relleno en columnas donde se someterán al peso del adsorbente, como por las tensiones provocadas cuando se empleen en aplicaciones donde tengan lugar vibraciones o movimientos del lecho. El trabajo desarrollado durante la realización de esta Tesis Doctoral se ha organizado en diferentes Capítulos cuyos contenidos son los siguientes: En el Capítulo II se realiza una introducción sobre las propiedades y el proceso de síntesis de los aerogeles de carbón. En el Capítulo III se describe la preparación de los aerogeles monolíticos de carbón, a partir de la síntesis de la carbonización de aerogeles orgánicos obtenidos de mezclas de resorcinol-formaldehído en presencia de un catalizador. Posteriormente, algunos de estos monolitos se activaron con CO2 a elevada temperatura para desarrollar su porosidad. Además, también se describen las técnicas empleadas durante la caracterización de las muestras, mediante la adsorción de gases (N2 y CO2), porosimetría de mercurio, microscopía electrónica de barrido (SEM), termogravimetría (TG), dispersión de rayos-X a ángulo pequeño y amplio (small- and wide angle X-ray scattering, SAXS-WAXS) y medida de las propiedades mecánicas. Finalmente, se describe como se realizó el estudio de la adsorción de BTX en régimen dinámico. En el Capítulo IV se describe el estudio, mediante la combinación de las técnicas arriba mencionadas, de la evolución en el área superficial y la textura porosa de un aerogel monolítico de carbón y de sus activados con CO2. La metodología aquí descrita se empleará para estudiar el área superficial y porosidad del resto de los materiales. En el Capítulo V se estudian los cambios provocados en el área superficial y textura porosa de los aerogeles monolíticos de carbón obtenidos al utilizar distintos catalizadores (ácidos y básicos) y distintas diluciones en la mezcla inicial. En el Capítulo VI se estudia el área superficial y porosidad de una serie de aerogeles de carbón sintetizados al cambiar el disolvente empleado en la mezcla inicial. En el Capítulo VII se estudian las propiedades mecánicas de los aerogeles monolíticos de carbón preparados. Por último, en el Capítulo VIII se aborda la discusión de los resultados obtenidos durante la adsorción de BTX en régimen dinámico, mediante la preparación de columnas rellenas con los distintos aerogeles estudiados. El Capítulo IX consiste en un amplio resumen en inglés de los capítulos anteriores mientras que el Capítulo X contiene una copia de las publicaciones realizadas hasta la fecha con parte del trabajo expuesto en esta Memoria. Estas publicaciones fueron realizadas en las revistas Carbon y Journal of Physical Chemistry B. BIBLIOGRAFÍA 1. Atkinson, R., Atmospheric Environment 2000, 34, 2063. 2. Ratificación del Protocolo al Convenio de
1979 sobre contaminación atmosférica transfronteriza a larga distancia, relativo a la reducción de la acidificación, de la eutrofización y del ozono en la troposfera, hecho en Gotemburgo -Suecia- el 30 de noviembre de 1999. 3. http://www.derecho.com/xml/disposiciones/min/disposicion.xml?id_disposicion=99323&desde=min 4. Directivas 94/63, 99/13 http://www.europarl.europa.eu/factsheets/4_9_2_es.htm
