Desarrollo de nanomateriales para la captura de dióxido de carbono mediante reacción - adsorción a alta temperatura

Abstract

The aim of this thesis was to develop alkaline zirconate based materials that can react with carbon dioxide at high temperature through the carbonation reaction, allowing the CO2 capture in combustion reactions. The solids were synthesized by wet impregnation, using Li, Na and K salts and two zirconia sources with different particle size as starting materials. Milder calcination conditions respect to the reported in the literature were employed to the sorbent synthesis. The solids were characterized through X-Ray Diffraction, Raman spectroscopy, Scanning Electronic Microscopy and X-Ray Photoelectronic Microscopy, being detected different zirconate and zirconia phases. Additionally, the phase and gas evolution during one capture/desorption cycle was followed through Raman operando spectroscopy, by coupling a mass spectrometer to the Raman system. The sorbent capture/desorption properties were analyzed by thermogravimetric and temperature programmed desorption experiments. A kinetic analysis of the sorbents was also included. Better capture properties were observed in the solids synthesized using zirconia of lower particle size. The potassium doping and a molar excess of zirconia in the sorbent composition played a positive effect in the capture properties. Finally, the addition of Na produced a great improvement in the capture kinetics.

El objetivo de esta tesis fue desarrollar materiales basados en circonatos de metales alcalinos, que reaccionen con dióxido de carbono a alta temperatura a través de la reacción de carbonatación, para su captura en reacciones de combustión o para la intensificación de procesos de reformado. Los sólidos se sintetizaron mediante impregnación húmeda, utilizando distintas sales precursoras de Li, Na y K y dos fuentes de circonia de distinto tamaño de partícula, y empleando temperaturas de calcinación más suaves respecto a lo reportado en bibliografía. Los sorbentes fueron caracterizados por difracción de rayos X y espectroscopia laser Raman, SEM y XPS, detectándose diferentes fases circonato y circonia. Además, pudo monitorearse el cambio de estas fases y los gases durante un ciclo de captura/regeneración por espectroscopia laser Raman operando, acoplando al instrumento Raman un espectrómetro de masas. Se evaluaron las propiedades de captura de los sorbentes basados en circonato de litio, incluyendo el análisis de la cinética de los procesos de captura y desorción. Se observó que la utilización de circonia precursora de menor tamaño de partícula, el exceso de circonia en la composición de los sorbentes y el agregado de potasio tienen un efecto positivo en las propiedades de captura. Pudo corroborarse, finalmente, que la sustitución de Li por Na aumenta la velocidad de captura, aunque en detrimento de las propiedades de regeneración y estabilidad de los materiales.