16 de Septiembre de 2020
Artículo con referato

Síntesis de carbones activados a partir de bio-char de pirólisis de cáscara de Maní.

XXXV Jornada Nacional del Maní. Síntesis y caracterización de carbones activados empleando como precursor el bio-char obtenido en la pirólisis de la cáscara de maní, de manera tal de incrementar el valor agregado del residuo

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Autores
Fermanelli, C.S.1; Rodriguez, N.2; Vargas Gil, S.1; Pierella, L.B.2; Saux, C.2 1- Unidad de Fitopatología y Modelización Agrícola (UFyMA), CONICET-INTA 2- Centro de Investigación y Tecnología Química (CITeQ), CONICET UTN-FRC

Introducción

Un carbón activado es un material de carbono poroso que ha sido sometido a reacción con gases antes, durante o después de la carbonización, para aumentar sus propiedades de adsorción.
Estas propiedades son el resultado de su estructura microporosa, su elevada área y reactividad superficial, que les permiten interaccionar con sustancias polares y no polares [1].

Los carbones activados pueden emplearse con diversos fines, tales como: i) baterías de litio; ii) adsorciones en fase líquida, iii) adsorciones en fase gaseosa y iv) catálisis heterogénea. Los carbones activados se sintetizan a partir de precursores orgánicos ricos en carbono. 

El objetivo de este trabajo es la síntesis y caracterización de carbones activados empleando como precursor el bio-char obtenido en la pirólisis de la cáscara de maní, de manera tal de incrementar el valor agregado del residuo.


Materiales y Métodos

La materia prima de este estudio fue el bio-char obtenido de la pirólisis de la cáscara de maní a 500 °C. La activación química del mismo se realizó a través de dos métodos distintos, empleando KOH como agente activante. La cáscara de maní fue provista por Lorenzatti, Ruetsch y Cia., de Ticino, Córdoba, Argentina.

Síntesis 1 (YF) Esta síntesis [2] comenzó con la mezcla mecánica de KOH y bio-char en las proporciones 1:1 y 3:1 en peso. Dicha mezcla se colocó en un reactor de cuarzo dentro de un horno bajo atmósfera inerte. La rampa de calentamiento fue de 20 °C/min hasta 550°C o 750 °C, manteniendo luego dicha temperatura por un lapso de 3 h. Los carbones obtenidos en este proceso, denominados YF(750)1:1, YF(750)3:1  e YF(550)3:1.

Síntesis 2 (MI) Consistió en la impregnación previa del bio-char con el agente activante [3]. Para ello, se colocó en agitación una mezcla de KOH y bio-char en las proporciones 1:1 y 3:1 durante 3 h a 70 °C, con suficiente agua destilada. Posteriormente se la secó en estufa a 120 °C durante la noche y se colocó en horno de acuerdo a las condiciones de la Síntesis 1. Los carbones obtenidos se denominaron MI(550)1:1 y MI(550)3:1. 

A los efectos del análisis, se estudiaron también los carbones derivados solo de la impregnación a 70 °C (MI(70)1:1 y MI(70)3:1).

Caracterización de los carbones activados. Para caracterizar los carbones activados se determinó el área BET en un Pulse Chemisorb 2700 marca Micromeritics. El análisis proximal se realizó empleando una termobalanza TGA/SDTA851e/SF/1100C Mettler Toledo. Las microestructuras superficiales se analizaron por SEM en un microscopio FE-SEM Σigma. 


Resultados y Discusión

En la Tabla 1 se presentan los datos de área BET de las muestras preparadas. En la misma se puede observar el efecto de la temperatura y la relación KOH:bio-char. Al analizar el área BET de los carbones de la Síntesis 1, se observó que la misma se duplicó cuando a 750 °C, la relación aumentó de 1:1 a 3:1. Contrario a lo esperado, al disminuir la temperatura de 750 a 550 °C, el área BET aumentó ligeramente, presentando la muestra YF(550)3:1 el mayor valor de área superficial de todas las muestras estudiadas. Para los carbones activados de este trabajo, temperaturas mayores a 550 °C tendrían escasa influencia en la generación de porosidad.

En cuanto a la Síntesis 2, se observó que la impregnación del bio-char con KOH previo al tratamiento térmico no generó aumentos del área superficial. Tampoco al incrementar el contenido de KOH. Esto podría asignarse a que el activante es eficaz solo en condiciones de elevada temperatura.

El análisis proximal de los materiales activados se presenta en la Figura 1 donde observó que el contenido de carbono fijo disminuyó en la medida en que aumentó el área superficial, registrándose por lo tanto, el menor valor para la muestra YF(550)3:1.

Las micrografías SEM se presentan en la Figura 2. El carbón YF(750)1:1 presentó una estructura de tipo costillas (Fig. 2a) sobre las que se observó la presencia de numerosos poros dispersos. Al aumentar el contenido de KOH, como el precursor continuó descomponiéndose, se observó la formación de una gran proporción de nuevos macro poros en la muestra YF(750)3:1 (Fig. 2b).
Aparentemente, las costillas observadas en YF(750)1:1 se transformaron en canales en YF(750)3:1 y, consecuentemente, la apertura de los macro poros posiblemente contribuyó a la formación de nuevos micro y mesoporos en las superficies internas.
La muestra YF(550)3:1, por su parte, presentó dos tipos morfológicos diferentes, por un lado, una estructura tipo tubular bien organizada, con presencia de numerosos poros y, por el otro, una estructura de tipo col, muy irregular, cubierta de poros de tamaños también irregulares. Las Fig. 2d, 2e y 2f permitieron observar la evolución de las estructuras porosas de los materiales en estudio. Mientras las imágenes d y e muestran el desarrollo de algunos tubos y canales, gran parte de los mismos se encuentran aún bloqueados. Sin embargo, en la parte f de la figura, se observa un carbón activado con estructura tipo panal, prácticamente cubierto de poros de diferentes tamaños.


Conclusiones

En este estudio se evaluaron dos métodos para la activación de bio-char de pirólisis de cáscara de maní. Las mayores áreas superficiales se observaron al mezclar físicamente agente activante y precursor en la proporción 3:1 en peso. A diferencia de lo esperado, el área BET aumentó un 6% al disminuir la temperatura de 750 °C a 550 °C, haciendo el proceso más amigable con el medio ambiente.

Agradecimientos

Las autoras de este trabajo desean agradecer a CONICET, al Ministerio de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Córdoba (Piodo 2018) y a la Universidad Tecnológica Nacional. 

 

Tabla 1. Caracterización de carbones activados.

Muestra

T activación

(°C)

Área BET

(m2/g)

YF(750)1:1

750

832

YF(750)3:1

750

1645

YF(550)3:1

550

1719

MI(550)3:1

550

1157

MI(70)1:1

70

158

MI(70)3:1

70

32



Figura 1. Análisis proximal de carbones activados a 550 °C y 750 °C

Figura 2.Micrografías SEM de carbones activados a 70, 550 y 750 °C. 

Bibliografia

[1]R.C. Bansal, M. Goyal, Activated Carbon Adsorption, 2005. [2]Y. Fu, Y. Shen, Z. Zhang, X. Ge, M. Chen, Sci. Total Environ. 646 (2019) 1567-1577. [3]M. Idrees, V. Rangari, S. Jeelani, J. CO2 Util. 26 (2018) 380-387.


 
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Referencias

Áreas geográficas alcanzadas
    • Argentina