©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales Superficies y Vacío 23(S) 67-72, agosto de 2010 Comparación de la capacidad de adsorción de CO2 en clinoptilolitas naturales y tratadas químicamente Hernández, M. A. * Departamento de Investigación en Zeolitas y Posgrado de Ciencias Ambientales Instituto de Ciencias de la Universidad Autónoma de Puebla Portillo, R., Salgado, M. A. Facultad de Ciencias Químicas Universidad Autónoma de Puebla Rojas, F. Departamento de Química Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa Petranoskii V. Centro de Nanociencias y Nanotecnología Universidad Nacional Autónoma de México Ensenada, Baja California, México G. Pérez Fac. de Ing. Química, Col. de Ing. Ambiental Universidad Autónoma de Puebla Salas R. Fac. de Ing. Química, Col. de Materiales Universidad Autónoma de Puebla (Recibido: 18 de febrero de 2010, Aceptado: 09 de junio de 2010) Se presentan resultados experimentales de adsorción de CO2 a distintas temperaturas (463, 493, 523, 553 y 583 K) sobre clinoptilolitas (desaluminizadas y homoiónicas). Las zeolitas fueron preparadas con tratamientos químicos usando soluciones de HCl y NaOH con la finalidad de comparar los efectos que tienen sobre la estructura original y las consecuentes modificaciones en las propiedades de adsorción. Los datos experimentales de adsorción de CO2 fueron tratados mediante las ecuaciones de Freundlich y Langmuir a las temperaturas mencionadas. De forma complementaria fueron evaluadas energías estándar de adsorción y el grado de interacción de este gas con las zeolitas fue analizado a través de la evolución de los calores isostéricos de adsorción. Palabras clave: CO2; Clinoptilolita; Zeolitas; Adsorción CO2 adsorption on dealuminated and homonionic clinoptilolites was investigated at temperatures of 463, 493, 523, 553 and 583 K by means of an inverse gas chromatography method. Dealuminated and homoionic zeolites were prepared via a chosen number of chemical treatments of natural clinoptilolite precursors with aqueous HCl and NaOH solutions. The Freundlich and Langmuir adsorption models were found to approximately fit the CO2 adsorption data, within the selected temperature range. The CO2 uptake was temperature-dependent. Additionally, the degree of interaction between CO2 molecules and the dealuminated and homoionic clinoptilolite substrates was examined by the evaluation of the isosteric heats of adsorption. Key words: CO2; Adsorption; Clinoptilolite; Natural zeolites 1. Introducción El crecimiento incesante tanto de la población, de la industrialización así como del transporte demanda el consumo de considerables cantidades de combustibles causando, por lo tanto, la ocurrencia de niveles considerables de contaminación atmosférica. Actualmente, la contaminación atmosférica es uno de los principales 67 * [email protected] retos ambientales a enfrentar. Los efectos ocasionados a través de los años por las crecientes emisiones de contaminantes han generado un impacto global negativo en la calidad del aire. El incremento demográfico y el desarrollo industrial han sido factores cruciales en el aumento y diversidad de las emisiones contaminantes. Dentro de los contaminantes atmosféricos sobresalen los gases con efecto invernadero. Estos gases, según lo ©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales Superficies y Vacío 23(S) 67-72, agosto de 2010 0,12 CLIDA463 CLIDA493 CLIDA523 CLIDA553 CLIDA583 -1 a (mmol g ) CLINA463 CLINA493 CLINA523 CLINA553 CLINA583 -1 a (mmol g ) 0,12 0,08 a 0,04 0,08 b 0,04 p (Torr) 0 20 40 60 p (Torr) 80 100 120 140 0,12 0,00 0 20 40 60 80 100 120 140 CLI12A493 CLI12A463 CLI12A523 CLI12A553 CLI12A583 0,08 -1 a (mmol g ) 0,00 0,04 0,00 c p (Torr) 0 20 40 60 0,12 80 100 120 140 0,12 CLI48A523 CLI48A463 CLI48A493 CLI48A553 CLI48A583 0,08 0,08 -1 a (mmol g ) -1 a (mmol g ) CLI30A463 CLI30A493 CLI30A523 CLI30A553 CLI30A583 0,04 0,00 d 0,04 e p (Torr) 0 20 40 60 80 100 120 140 0,00 p (Torr) 0 20 40 60 80 100 120 140 Figura 1. Isotermas de adsorción de CO2 en zeolitas clinoptilolita. a) CLINA, b) CLIDA, c) CLI12A, d) CLI30A y e) CLI48A. establecido en el Protocolo de Kyoto [1] son: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6) [2]. Los procesos de adsorción constituyen una opción valiosa para remover este tipo de fluidos contaminantes de corrientes gaseosas [3]. En aplicaciones industriales muchos sólidos que poseen poros de dimensiones cercanas a las moleculares (poros con diámetros inferiores a 2 nm) son usados como adsorbentes selectivos debido a la especificidad fisicoquímica que despliegan en contraste con los adsorbentes mesoporosos más comunes. Adsorbentes con estas propiedades selectivas incluyen carbones en sus diferentes modalidades (activados, fibras, tamices grafitados, fullerenos, nanotubos, nanohorns, nanonions, nanoflowers) [4], zeolitas (naturales y sintéticas), materiales cristalinos mesoporosos (MCM, por sus siglas en inglés) [5], armazones metal orgánicos (MOF, por sus siglas en inglés) [6] y sílice microporosa [7]. Para una aplicación exitosa, éste tipo de materiales, deben de presentar una estructura homogénea, bajo contenido de meso y macroporos, estabilidad térmica, alta conductividad térmica y una concentración alta de microporos. El confinamiento de estos fluidos dentro de materiales porosos provistos de apreciables microporosidades [8] representa indudables ventajas en el manejo y dosificación de estas substancias, en virtud de que es mucho más seguro tanto transportarlas comprimidas dentro de los adsorbentes porosos como liberarlas en forma controlada en lugar de 68 trabajar directamente con fluidos almacenados en grandes contenedores. Las zeolitas son alumosilicatos altamente cristalinos constituidos de microporos que pueden ser usadas como adsorbentes selectivos en procesos de separación de gases, como la adsorción basada en vaivenes de presión y de temperatura, procesos conocidos como PSA y TSA [9]. Distintos estudios de adsorción indican que el CO2 es fuertemente adsorbido por una variedad de zeolitas, sugiriendo que este tipo de materiales pueden jugar un papel crucial en las tecnologías de captura del CO2. En particular, estudios realizados han demostrado la adsorción selectiva del CO2 respecto a H2 y N2 en zeolitas 13X y 4A confirmando que estas zeolitas adsorben selectivamente al CO2 a temperatura ambiente [10]. Resultados similares han sido publicados [11-16]. Sin embargo zeolitas de origen natural han sido usadas como adsorbentes para atrapar selectivamente al CO2 en condiciones similares a las reportadas cuando se utilizan zeolitas sintéticas casos concretos son los reportados utilizando zeolitas ERI [17], HEU [18-19] y MOR [20]. Las zeolitas modificadas químicamente presentan mejores propiedades (con respecto a las zeolitas precursoras) como volumen total de poros, estabilidad hidrotérmica aceptable y excelente actividad catalítica. Las modificaciones de las zeolitas se realizan por medio de tratamientos químicos o intercambios iónicos para producir zeolitas desaluminizadas o en forma homoiónica. Las vacancias o poros creados por la remoción de los átomos de Al tetracoordinados son ocupados por átomos de Si procedentes de otras partes de la zeolita, y en algunos casos la estructura puede colapsar. Este efecto conduce a la formación de un grado considerable de porosidad secundaria con una amplia distribución de poros [21]. En este trabajo los datos de adsorción del CO2 a bajas presiones fueron evaluados a través de la ecuación de Freundlich en su forma lineal con el fin de determinar los parámetros de adsorción pertinentes de la ecuación aludida. La ecuación de adsorción de Freundlich puede ser escrita como: a = K F p1/ n (n > 1), (1) donde a son los moles adsorbidos en el sólido a la presión p, KF es la constante de adsorción de Freundlich y n es un factor exponencial. En esta misma zona se evaluaron las constantes de Henry (KH) a diferentes temperaturas para los adsorbentes en estudio de acuerdo a la siguiente expresión ⎛ a ⎞ ⎟ K H = lim p →0 ⎜⎜ ⎟ ⎝ am p ⎠ (2) donde a m es la capacidad de la monocapa evaluada a partir de la ecuación de Langmuir ©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales Superficies y Vacío 23(S) 67-72, agosto de 2010 Tabla 1. Propiedades de textura de Clinoptilolitas. Zeolita CLINA ASL (m2 g-1) 20.98 ASB (m2 g-1) 13.59 AE (m2 g-1) 8.109 CLIDA 71.69 47.15 CLI12A 110.2 CLI30A CLI48A CB 65.17 V∑ (cm3 g-1) 0.031 W0 (cm3 g-1) 0.001 Vmeso (cm3 g-1) 0.030 DpD-A (nm) 1.83 DpNLDFT (nm) 1.42 134.30 -102.0 0.073 0.017 0.056 1.74 1.87 72.00 237.72 -113.2 0.092 0.027 0.065 1.70 1.87 100.7 66.60 227.19 -92.13 0.086 0.026 0.060 1.74 1.95 53.72 34.34 63.75 -366.1 0.070 0.009 0.061 1.82 1.87 Tabla 2. Composición química de las zeolitas estudiadas. θ= % CLINA CLIDA CLI12A CLI30A CLI48A Si Al Fe Ca Mg Na K Si/Al PxC 67.07 11.31 1.21 3.57 0.68 2.90 0.52 5.93 12.74 39.02 4.64 1.02 0.40 0.47 13.96 3.03 8.40 37.46 31.84 4.83 1.47 0.10 0.15 10.94 1.68 6.59 48.99 34.66 4.56 1.41 0.09 0.15 9.32 1.33 7.60 48.48 36.93 4.59 1.29 0.37 0.21 9.37 1.75 8.04 45.49 a kp = am 1 + kp siendo a m k = K H donde p y T son la presión de equilibrio y la temperatura. (3), . Los valores de las energías de adsorción (− ΔU 0 ) fueron evaluadas a partir de la dependencia de la temperatura de las constantes de Henry, una relación que supone ser consistente con una forma tradicional de la ecuación van’t Hoff : ∂ ln K H ΔU 0 = ; ∂T RT 2 K H = K 0 exp(−ΔU 0 / RT ) 2. Desarrollo experimental 2.1. Materiales Se usaron como adsorbentes productos zeolíticos naturales originarios de yacimientos localizados en Tehuacán, Puebla, México. Se estudió la zeolita en su forma natural (CLINA), desaluminizada (CLIDA) y en forma homoiónica (CLI12A, CLI30A y CLI48A). Las zeolitas desaluminizadas fueron preparadas con soluciones de HCl. Por su parte, las zeolitas en forma homoiónica fueron preparadas a escala laboratorio, mediante tratamientos con NaCl a diferentes tiempos de contacto (CLI12A, CLI30A y CLI48A). HCl (38% vol.), y NaCl fueron de grado analítico (Aldrich, 99.9%) y empleados para los diversos tratamientos de intercambio iónico con la zeolita natural de partida. Helio de alta pureza (99.99%, LINDE) fue usado en los estudios de cromatografía de gases (GC). El proceso de desaluminación y el intercambio iónico de las zeolitas [22], así como la caracterización físico-química de los adsorbentes usados en este trabajo (4) donde ΔU 0 = ΔH 0 + RT ; ΔH 0 es la entalpía de adsorción, R es la constante universal de los gases y K 0 es un factor pre-exponencial de la ecuación van’t Hoff. El calor isostérico de adsorción, q st (kJ mol-1), a bajas cantidades de sustancia adsorbida fue evaluado a partir de los datos de las isotermas de adsorción a través de la ecuación de Clausius-Clapeyron: q st (a) ⎡ ∂ ln p ⎤ ⎢ ∂T ⎥ = RT 2 ⎣ ⎦a Los objetivos del presente trabajo son comparar los resultados experimentales de adsorción de CO2 obtenidos por el método dinámico en zeolitas clinoptilolita naturales, homoiónicas y dealuminizadas para establecer el orden de selectividad con respecto a este gas en las zeolitas en estudio. (5) 69 ©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales Superficies y Vacío 23(S) 67-72, agosto de 2010 Tabla 3. Constantes de Freundlich KF, Henry KH y Energías de Adsorción -ΔU para la adsorción de CO2 en Clinoptilolitas. T (K) KF x103 (Torr-1) 463 493 523 553 583 5.13 4.56 5.57 4.31 3.57 463 493 523 553 583 14.33 9.94 6.42 5.19 6.59 463 493 523 553 583 14.04 11.73 8.99 6.4 5.25 463 493 523 553 583 10.06 9.56 7.29 7.45 5.05 463 493 523 553 583 11.74 6.35 5.13 5.18 4.68 n CLINA 1.436 1.435 1.551 1.522 1.514 CLIDA 2.457 2.031 1.784 1.775 1.794 CLI12 2.008 1.741 1.801 1.563 1.566 CLI30 1.828 1.858 1.766 1.761 1.565 CLI48 1.942 1.563 1.427 1.427 1.523 rF am (mmol g-1) KH x103 (Torr-1) rL 0.999 0.999 0.999 0.999 0.999 0.168 0.158 0.146 0.130 0.122 2.94 2.53 2.8 2.12 1.69 0.996 0.998 0.995 0.994 0.995 0.988 0.996 0.993 0.991 0.998 0.071 0.087 0.086 0.089 0.101 8.49 5.02 3.2 2.17 2.92 0.999 0.997 0.999 0.999 0.993 0.999 0.998 0.999 0.999 0.999 0.110 0.142 0.111 0.126 0.092 8.34 6.73 4.65 3.71 3.14 0.992 0.997 0.995 0.997 0.998 0.999 0.999 0.998 0.999 0.999 0.124 0.106 0.122 0.121 0.125 4.94 5.02 3.14 3.29 2.56 0.990 0.993 0.997 0.996 0.996 0.997 0.972 0.999 0.999 0.999 0.109 0.181 0.137 0.130 0.119 6.31 2.91 3.26 3.42 2.54 0.997 0.989 0.998 0.997 0.995 -ΔU (kJ mol-1) 9.358 22.899 19.116 12.947 12.791 han sido reportados previamente [23]. Todas las isotermas de adsorción de N2 fueron determinadas a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (76 K a los 2,150 m.s.n.m. en la ciudad de Puebla, México), usando un sistema de adsorción volumétrico totalmente automatizado Autosorb1C de Quantachrome este equipo está provisto, además de la bomba mecánica, de una bomba turbomolecular y de un transductor de baja presión, el cual está ubicado muy cerca de la celda de medición. Las isotermas de adsorcióndesorción fueron determinadas en el intervalo p/p0 ~ 10-6 – 1. Un tamaño de malla específico 0.250 mm, fue usado para todas las muestras. De manera previa a las corridas experimentales, las muestras fueron desgasificadas con tratamientos térmicos a 350 °C durante 20 horas y presión baja (10-5 mmHg). La determinación de la composición química de las zeolitas se realizó utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica Varian AA-20. La mezcla de combustión acetileno-aire (INFRA, AA) proporciona una temperatura de 1000 °C. Las curvas de calibración se elaboraron con ayuda de soluciones estándar marca Sigma y lámparas correspondientes al análisis de cada elemento en particular. Los experimentos de adsorción del CO2 sobre los substratos fueron realizados en 70 un cromatógrafo de gases Gow-Mac 350 equipado con un detector de conductividad térmica. Las columnas cromatográficas son de acero inoxidable (diámetro interno = 5 mm y longitud = 50 cm) y fueron empacadas con gránulos de zeolita equivalentes a tamaños de malla de 0.250 mm. Antes de la adsorción de este gas, cada muestra es pretratada in situ bajo un flujo de He a 573 K. Posteriormente, inyecciones de CO2 de distinto volumen fueron introducidas en la columna con el fin de medir el tiempo de retención. Las isotermas de adsorción de este gas sobre las zeolitas son medidas a diversas temperaturas (463, 493, 523, 553 y 583 K); las evaluaciones de la cantidad adsorbida en función de la presión se efectúan aplicando el método de picos cromatográficos máximos [24] (GC peak maxima method), empleando helio (30 cm3 min-1) como gas portador. El calor isostérico de adsorción de los adsorbentes a bajos grados de cobertura a se calculó a partir de los datos experimentales de las isotermas de adsorción usando la ecuación de Clausius-Clapeyron, ecuación 5. ©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales Superficies y Vacío 23(S) 67-72, agosto de 2010 en los cambios o modificaciones que sufren las zeolitas frente al HCl y al NaCl. El efecto de bloqueo de poros en este tipo de zeolitas es minimizado por los tratamientos químicos. Este tipo de tratamiento disminuyen la capacidad de intercambio iónico por la extracción de Al+3 de posiciones de la estructura e introducen H+ y Na+ en los sitios catiónicos que se han desalojado generándose los adsorbentes modificados CLIDA y CLI. Tratamientos de desaluminización producen un decremento en la capacidad de adsorción atribuido al desplazamiento de material residual de la porosidad secundaria, ver valores de AE en Tabla 1. Por su parte, los tratamientos con NaCl a diferentes tiempos de contacto producen incrementos en la capacidad de adsorción, resultando ser más favorecido el adsorbente CLI12A, ver Tabla 2. El enriquecimiento de la estructura con Na+ asegura la participación de este catión Tabla 4. Calores isostéricos de adsorción (-qst,) en las zeolitas estudiadas. Zeolita CLINA CLIDA CLIDA12A CLIDA30A CLIDA48A Silicalita 13X [12] SBA-15 [26] qst (kJ mol-1) 7.769 10.814 11.517 4.840 5.910 20 40 30 3. Resultados y Discusión 3 Las propiedades de textura y la composición química de los adsorbentes empleados en este trabajo están reportadas en las Tablas 1 y 2. Los resultados texturales (áreas superficiales, volúmenes y diámetros de poro) obtenidos del análisis de las isotermas N2 a 76 K. Donde: AsB es la superficie específica determinada por medio de la ecuación BET; AsL es la superficie específica determinada por medio de la ecuación Langmuir; AE es el área externa; CB es la constante de BET; W0 es volumen de microporo calculado por el método α; VΣ es el volumen total de poro; Vmeso es el volumen de mesoporo, DpD-A es el diámetro de poro calculado por el método Dubinin-Astakhov y DpNLDFT es el tamaño de poro calculado por el método de funcionales de la densidad. De la Tabla 1 se establece el siguiente orden secuencial con respecto a la superficie específica evaluada por el método Langmuir ASL: CLI12A > CLI30A > CLIDA > CLI48A > CLINA. Un comportamiento similar lo presenta el volumen de microporos W0. 3.1. Adsorción de CO2 en zeolitas Clinoptilolitas Isotermas de adsorción de CO2 a las temperaturas de 463, 493, 523, 553 y 583 K en los adsorbentes estudiados se presentan en la Figura 1. Los puntos experimentales de las isotermas estimadas a las temperaturas mencionadas fueron descritos favorablemente por las ecuaciones de Freundlich y Langmuir en sus coordenadas lineales. Los valores de las constantes de Freundlich K F y n, las constantes de Henry K H , la capacidad de la monocapa de Langmuir a m , y las energías de adsorción (− ΔU 0 ) están dados en la Tabla 3. De esta tabla se establece que los mayores valores adquiridos para la capacidad de monocapa lo obtiene la muestra original, CLINA, mientras que los valores menores los adquiere la muestra desaluminizada, CLIDA. Por su parte, las zeolitas homoiónicas presentan un comportamiento intermedio con respecto a las muestras naturales y desaluminizadas. En lo que se refiere a los valores de las energías de adsorción se establece la siguiente secuencia: CLIDA > CLI12 > CLI30 > CLI48 > CLINA. Estos resultados pueden ser explicados basándose 71 con el cuadrupolo del CO2 (0.64 A ) generando un incremento en los centros de adsorción en los canales (A, B y C) que conforman la estructura microporosa de la zeolita, Tabla 2. Estos resultados también pueden ser explicados considerándose la diferencia en las propiedades físicas y químicas de la molécula de CO2. En primer lugar, el diámetro crítico de la molécula de CO2 es igual a 3.1Å, con 3 una polarizabilidad de 1.9 A [25]. Este efecto hace que la molécula de este gas se vea influenciada en mayor grado por el campo eléctrico, que crean los cationes presentes en el sólido. Es muy probable que las diferencias en las propiedades de este gas sean los responsables de que el CO2 se adsorba en sitios poco accesibles y a que esta molécula interaccione más específicamente con el campo eléctrico del sólido. Los valores de los calores isostéricos (qst, kJ mol-1) de adsorción del CO2 en las zeolitas estudiadas están dados en la Tabla 4. A manera de comparación en esta misma tabla están listados valores de calores isostéricos de adsorción en zeolitas silicalita y 13X, además de materiales SBA-15 funcionalizados con aminas terciarias y que han sido reportados previamente [12]. De esta tabla se observa que los mayores valores corresponden a la zeolita 13X [26]. 4. Conclusiones La zeolita natural (CLINA) tiene una presencia mayoritaria de Ca2+ y la adsorción del CO2 es medianamente favorable por su parte las zeolitas intercambiadas con Na+ en forma homoiónica (CLIDA12A) adquieren los valores más altos respecto a las demás muestras frente a la adsorción de este gas. Sin embargo son menores con respecto a otro tipo de zeolitas reportadas en la literatura. Este efecto se puede atribuir al tipo de purificación y/o grado de accesibilidad a la estructura porosa de la zeolita en estudio. Agradecimientos Este trabajo fue financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT) a través del proyecto 76739. Gracias se dan también a CONACYT por ©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales Superficies y Vacío 23(S) 67-72, agosto de 2010 el apoyo mediante el Proyecto No. 83659 “Estudio Fisicoquímico de la obtención y de las propiedades de los sólidos mesoporosos”. Referencias [1]. K. Zhang, B. Eliasson, U. Kogelschatz, Ind. Eng. Chem. Res. 41, 1462 (2002). [2]. M. Molina, Conferencia Magistral, V Simposio de Contaminación Atmosférica, L. García-Colin, J. Varela, Eds., 2006, Colegio Nacional. [3]. D. Bathen, H.S. Traub, M. Simon, Ind. Eng. Chem. Res. 36, 3993 (1997). [4]. C. Felipe, F. Chávez, N. Morales, E. 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