En la actualidad, uno de los mayores retos ambientales a nivel mundial es el cambio climático debido al calentamiento global que es el resultado del aumento de concentraciones de gases de efecto invernadero (GEI) tales como el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxidos nitrosos (N2O), hidrofluorocarbono (HFCs), perfluorocarbono (PFCs), y hexafluorocarbono de azufre (SF6). Así, la captura y almacenamiento de GEI podrían desempeñar un papel significativo en la reducción de sus emisiones a la atmósfera. Existen varias tecnologías para capturar CO2 destacando la adsorción y/o absorción. Se han investigado varios adsorbentes para la eliminación de CO2 como son: carbón activo, zeolitas y sílica mesoporosa pero presentan limitaciones en cuanto a las capacidades de retención de GEI por masa de adsorbente. En este sentido, existe un amplio interés en el desarrollo de materiales adsorbentes avanzados que presenten mejores características que los materiales convencionales y que incorporen funcionalidades adecuadas para cada contaminante específico. Recientemente se han realizado ya algunos estudios en los que se utilizan nanomateriales para la eliminación de CO2. Sin embargo, son pocos los resultados y aún más escasos con respecto a la eliminación de otros gases de efecto invernadero como son N2O, CH4 y compuestos fluorados. Así, el proyecto NANO-GEI tiene como principal objetivo el desarrollo de nuevos materiales nanoadsorbentes para la eliminación de GEI. Dichos nanoadsorbentes están basados en nanopartículas (NPs) inorgánicas de bajo coste, las cuales pueden ser inmovilizadas en soportes porosos. Las actividades principales que se han llevado a cabo en este proyecto son: la síntesis y caracterización de distintos tipos de nanomateriales y ensayo de los nanomateriales para la eliminación de CH4 y su comparación con los materiales comerciales; con el fin de desarrollar a escala laboratorio los equipos de tratamiento y su optimización para un escalado de la tecnología.
Los tipos de nanomateriales utilizados se basan en NPs comerciales como son NPs de TiO2, Fe3O4 y SiO2, así como otros materiales comerciales: zeolita y carbón activado. Gracias al proyecto NANO-GEI se han sintetizado otros nanomateriales basados en: NPs de magnetita (Fe3O4) estabilizadas en dos matrices poliméricas (resinas sulfonadas-PUROLITE y esponjas de poliuretano) optimizando bajo el marco de este proyecto las metodologías de síntesis para dichos materiales.
Así, se realizaron estudios de la capacidad de adsorción de metano de estos materiales mediante el diseño y desarrollo de un sistema en continuo de columna empacada con el nanomaterial de estudio en unas condiciones constantes de concentración inicial de metano (2000ppmv) y flujo.
Es necesario destacar los resultados muy favorables obtenidos para dos nanomaterials desarrollados bajo el proyecto NANO-GEI en comparación con el resto. Así, las NPs Fe3O4 estabilizadas en esponjas de poliuretano (Fe3O4/esponja) mostraron una capacidad de adsorción de 91.4 mg/gadsorbente en comparación con el resto de materiales que mostraron capacidades de adsorción, bajo las mismas condiciones del orden de: 6-46 mg/gadsorbente. Es importante destacar aquí la capacidad de adsorción de las esponjas originales sin modificar con NPs, que es de 53 mg/gadsorbente.
De esta manera, se obtiene el material óptimo desarrollado en el proyecto NANO-GEI para la adsorción de metano. Así, se realizó la isoterma de adsorción para obtener la capacidad de adsorción máxima, que es el parámetro que caracteriza a los materiales y así poder compararlos. La capacidad de adsorción máxima para Fe3O4/esponja es de 726.38 mg CH4/gesponja mientras que para las Esponjas es de 501.83 mgCH4/gesponja. En ambos casos la saturación ocurre pasado los 8000 g/m3 de metano.
Hay que destacar que se optimizó la concentración de NPs en el soporte, siendo el óptimo de 8.12 mgFe/gnanomaterial.
En la bibliografía encontramos diferentes materiales utilizados para adsorber metano, con los cuales se obtuvieron distintos resultados presentados en la Tabla 1 para comparar la capacidad de adsorción máxima para el metano.
En esta Tabla 1 se muestra un cuadro comparativo de capacidad de adsorción máxima de CH4 en diversos materiales reportados en la bibliografía.
La diferencia entre la adsorción de Esponjas/Fe3O4-NPs respecto a MOF-177 es de 190.38 mg/g. La estabilidad de las nanoparticulas y las formas cristalinas de sus moléculas hacen que la adsorción de una esponja sintetizada con NPs de magnetita aumente en un 30.9%. Además de la mayor capacidad de adsorción, es un producto más económico respecto a otros materials utilizados como la MOF-177 comercial, por ejemplo. Además, se ha evaluado la capacidad de adsorción en varios ciclos de uso del nanomaterial (hasta 5 ciclos de adsorción-desorción), observando que se mantiene la capacidad de adsorción para todos los ciclos y, demostrando así, la estabilidad y posibilidad de reutilización del nanomaterial.
Cabe destacar las ventajas que representa la aplicación de este material para la adsorción de metano:
- Mayor capacidad de adsorción.
- Estabilidad del material debido a la inmovilización de las nanopartículas en la matriz polimérica.
- Propiedades magnéticas de las nanopartículas y del nanomaterial, lo que ofrece dos niveles de seguridad en cuanto a evitar posibles pérdidas de material durante su uso así como la posible reutilización del material.
- Reducción de costes ya que se obtienen mejores resultados con menor cantidad de nanopartículas (al estar éstas inmovilizadas en un soporte).
- Reutilización.
Publicaciones y congresos
- Xavier Font, Amanda Alonso, Ada Rebeca Contreras, Ahmad Abo Markeb, Antoni Sánchez (2014) Nanotecnología para el medio ambiente: eliminación de contaminantes mediante nanomateriales. Industria Química, 2014.
- Amanda Alonso, Ahmad Abo Markeb, Xavier Font, Antoni Sánchez, David Gabriel, Javier Lafuente, Generation of Nanomaterials for Green House Gases Adsorption, Trends in Nanotechnology , Trends In Nanotechnology, 27-31 octubre 2014, Barcelona.
