trabajo biorreactores.docx

Universidad de Santiago de ChileFacultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera QumicaDiseo de Biorreactores

INFORME N1Oxidacin cataltica de los COVs

RESUMEN

Los compuestos orgnicos voltiles (COVs) son un tipo de contaminantes atmosfricos responsables de la produccin de oxidantes fotoqumicos, especialmente ozono troposfrico, que causan daos en plantas y animales, irritacin ocular y problemas respiratorios en los seres humanos. Esto conlleva a una cuidadosa seleccin de las tecnologas de control de inters para la reduccin de las emisiones de COVs a la atmsfera. La oxidacin cataltica es una alternativa eficiente para el tratamiento de estos contaminantes. No obstante, debido a la diversidad de compuestos posibles debido a las distintas industrias, uno de los problemas trascendentales es la eleccin del catalizador adecuado para el tipo de reactivo a tratar. As, un factor a considerar es el tipo de catalizador que puede lograr las mayores conversiones posibles, con un bajo nivel de consumo energtico. Otra consideracin es la de elegir un catalizador que sean selectivos a un tipo de reaccin y que adems sean estables en presencia de ciertos compuestos. Finalmente, la forma de disponer de la superficie del catalizador, como la relacin entre catalizadores metlicos y xidos metlicos, son aspectos importante a considerar en el diseo. As, se busca establecer soluciones accesibles para el tratamiento de diferentes COVs, de la manera ms eficiente y econmica posible.

Esta investigacin est orientada al anlisis de las posibles soluciones en el tratamiento de COVs, buscando catalizadores de bajo coste, altamente activos, selectivos a CO2 y estables ante la presencia de otros compuestos dainos para el catalizador. Se logr comprobar que efectivamente, dependiendo del caso particular de emisin, se debe elegir el tipo de catalizador, como es el caso de la hidrotalcita en el tratamiento del tricloroetileno, o tambin dependiendo de la eficiencia buscada y del costo econmico, establecer la disposicin de los slidos, como uso de catalizadores mixtos y el ms eficiente para el COVs especfico.

NDICE

1. INTRODUCCIN42. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA.53. SOLUCIN ..64. DISCUSIN...125. CONCLUSIN Y RECOMENDACIONES...136. REFERENCIAS..14

1. INTRODUCCIN

La expresin COV se refiere a los compuestos orgnicos voltiles que producen un efecto perjudicial en el medio ambiente. Las consecuencias derivadas de la emisin de stos a la atmsfera han motivado a las autoridades de diversos pases a establecer legislaciones cada vez ms restrictivas en materia de emisiones al medio ambiente. La definicin ms aceptada corresponde a la entregada por la comisin econmica para Europa de las Naciones Unidas que los especifica como compuestos orgnicos voltiles, distintos del metano, de naturaleza antropognica capaces de producir oxidantes fotoqumicos en presencia de luz solar por reaccin con xidos de nitrgeno(Martnez and Garca 2009). Dentro de stos podemos mencionar compuestos tales como: hidrocarburos aromticos, alifticos y halogenados, aldehdos y cetonas, alcoholes, glicoles, teres, fenoles y otros; los que componen la mayora de los compuestos peligrosos en el aire. Recientemente tambin se ha reconocido el papel de COVs como una de las principales fuentes de ozono troposfrico, un conocido irritante de las vas respiratorias.

Para la reduccin de los COVs se plantean una serie de tcnicas, entre las ms importantes podemos mencionar: los reactores de oxidacin trmicos y catalticos, separacin por membranas, condensadores, absorbedores y adsorbedores, biofiltros. La oxidacin cataltica se considera una de las mejores opciones para eliminar los compuestos en fase vapor. Las principales ventajas de este mtodo son: una alta eficiencia a concentraciones bajas de contaminante, bajo consumo de energa, pequeo tamao de la unidad de depuracin. Las desventajas de este este mtodo son: el fenmeno de envenenamiento, sensibilidad trmica y limitaciones de transferencia de masa.(Colman Lerner, Peluso et al. 2013).

Los catalizadores para procesos de descontaminacin exige tener en cuenta una serie de factores que les diferencia sensiblemente de los catalizadores utilizados en sistemas de produccin. En ambos casos el sistema cataltico debe poseer alta selectividad y vida til sin embargo los catalizadores utilizados en sistemas de produccin deben adems, evitar que se alteren, en la medida de lo posible las condiciones de operacin del proceso productivo. Esto genera que los catalizadores de descontaminacin operen en condiciones preestablecidas, dadas por el funcionamiento.

La oxidacin cataltica de COVs en forma individual ha sido ampliamente estudiada, sin embargo, hay pocos artculos acerca de la eliminacin de mezclas. En general se observa que la eliminacin de un COVs individual difiere a su oxidacin estando en una mezcla de compuestos, atribuyndose este efecto a la interaccin de las diferentes especies orgnicas con el catalizador.

2. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

Los COVs emanan, principalmente, de la combustin y procesos industriales. Entre ellos se destacan por sus grandes cantidades de emisiones el consumo de combustibles fsiles en motores y calderas, las industrias qumico-farmacuticas, las fbricas de pinturas, solventes y adhesivos, industria petrolera, almacenamiento de combustibles, procesos de secado, plantas de tratamiento de RILES y RISES, termoelctricas, fundiciones, etc.

Es por esto que los compuestos orgnicos voltiles se hacen presentes en estas industrias, presentndose en una variada gama de compuestos, de acuerdo a su estructura qumica. Su problema fundamental es que, al ser voltiles, se encuentran presentes en los efluentes gaseosos, en forma de gas o vapor, y poseen diferentes caractersticas que los clasifican como sustancias dainas al ser expuestas al ambiente, tanto en animales como plantas. Es por ello que las diferentes empresas se deben hacer cargo de su emisin, control y tratamiento, segn las normas ambientales.

La creciente preocupacin por la emanacin de los COVs radica en los mltiples problemas que genera en los seres humanos, principalmente indirectos, asociados a la exposicin a ozono troposfrico; en cultivos conminndolos; en el ambiente contribuyen al efecto invernadero, inducen la formacin de lluvia cida, participan en la formacin de smog fotoqumico.

Estos compuestos tienen caractersticas como elevada volatilidad, alta persistencia en el ambiente y reactividad con otros compuestos txicos, que dificultan su captacin. Por estas razones los principales procesos de tratamiento de los COVs son la combustin trmica, combustin cataltica, adsorcin, tratamiento biolgico.

Es as como los compuestos orgnicos, al emitirse al ambiente mediante los efluentes gaseosos son un peligro, al ser productos que por su naturaleza son dainos (como el benceno) o que sus derivados pueden ocasionar efectos negativos a la vida.

Luego, y enfocndonos en el tratamiento por oxidacin cataltica, nuestro problema se basa en elegir el catalizador adecuado para cada tipo de COVs a tratar.

3. SOLUCIN

Para reducir la emanacin de COVs existen diversas tecnologas. Para seleccionar la ms adecuada se debe analizar las caractersticas del aire a tratar como el caudal, la concentracin de COVs presente en el efluente gaseoso, la temperatura y la humedad que posee, los disolventes presentes, el lmite de emisin permitido y la posible presencia de polvo y otros contaminantes. Otro factor que determina el tipo de tratamiento que se ha de utilizar, corresponde a los recursos disponibles que sern destinados para disminuir la emisin de compuestos orgnicos voltiles.El proceso que ser descrito de manera ms extensa corresponde a la oxidacin cataltica.

Caso N 1: Oxidacin cataltica de compuestos clorados: Seleccin del catalizador ms ptimo y estable.

Uno de los factores importantes en el diseo del reactor cataltico, es la estabilidad y selectividad que tiene que tener el material con respecto al tipo de COVs a tratar. Un caso particular es la catalizacin de los compuestos organoclorados, los cuales, daan el catalizador, disminuyendo su vida til. Es por ello que se debe seleccionar el ms adecuado en su tratamiento.(Blanch Raga 2014)

Segn lo investigado, con respecto a la eliminacin de compuestos orgnicos clorados en corrientes gaseosas, particularmente el compuesto Tricloroetileno (TCE), se buscaron catalizadores que lograran alcanzar la mayor conversin posible del producto, de la manera ms eficiente energticamente, que fuesen selectivos y tuviesen una estabilidad ante los diversos productos generados. En este caso, los productos formados en la oxidacin son el cloro molecular y el cido clorhdrico, los cuales pueden daar los diversos catalizadores (particularmente el cloro gaseoso). No obstante, son los preferentes en esta reaccin, ya que, al trabajar con un catalizador selectivo a esta reaccin a bajas temperaturas, previene la formacin de otros compuestos ms dainos y peligrosos, como el fosgeno, Monxido de Carbono de formilo, entre otros derivados del cloro. Es relevante sealar tambin, que la presencia de compuestos organoclorados en una mezcla con otros COVs, inhibe la oxidacin de estos ltimos.

Los tipos de catalizadores analizados en este estudio se encuentran basados en los siguientes materiales: bronce (calcinado a 500 [C] y con molibdeno o tungsteno), zeolita (con cobre), hidrotalcita (xidos formados con cobalto y aluminio) y sepiolita (con cobalto). Para estos casos se logr observar que las temperaturas de operaciones son menores con respecto a la reaccin en ausencia de catalizador para alcanzar altas conversiones.

Figura 3.1.1: Grfico de la conversin en funcin de la temperatura para los diferentes catalizadores analizados.

Todos los catalizadores estudiados se consideraron estables, a ciertas temperaturas de trabajo, con un tiempo operacional mayor a 70 [h] de trabajo en el laboratorio, siendo el ms efectivo para el tratamiento del contaminante, la hidrotalcita cobalto-aluminio.

Figura 3.1.2: Selectividad de los diferentes catalizadores para la formacin de compuestos deseados. Donde Bronce = MW50-L, Zeolita = beta-Cu (II), Hidrotalcita = CoAl, Sepiolita = Sep Co.

Caso N2: Eliminacin de dos tipos de COVs: aromticos, siendo el caso del m-xileno y el tolueno, y oxigenados, como lo es la butanona mediante el uso de catalizadores estructurados a base de esponja de almina impregnados con Paladio o Platino.

Para este caso se utiliza catalizadores monometlicos de platino o paladio soportado sobre una esponja mesoporosa de -almina. Este sistema se basa en poner en contacto un flujo de aire con el COVs a eliminar, de modo que los vapores de este compuesto sean arrastrados por la corriente de aire y logren reaccionar con el catalizador para su eliminacin.

Las reacciones de oxidacin cataltica para la evaluacin de la actividad cataltica de los monolitos impregnados con platino o paladio fueron realizadas a un flujo aproximado de mezcla aire-COVs de 60 [cm3/s] y una velocidad espacial aproximada de 8604 [h-1].

Utilizando los catalizadores estructurados impregnados con platino o paladio, con dos tipos de compuestos orgnicos voltiles: aromticos, siendo el caso del m-xileno y el tolueno, y oxigenados, como lo es la butanona (MEC) se obtuvieron conversiones a diferentes temperaturas.

Figura 3.2.1: conversin m-xileno

Figura 3.2.2: conversin Tolueno

Figura 3.2.3: conversin Butanona

Para todas las reacciones de oxidacin se puede observar que independientemente del tipo de COVs utilizado se logran alcanzar conversiones mayores al 90% con todos los catalizadores empleados.

Los gases de salida del reactor, una vez ocurrida la reaccin de oxidacin, se les realiz un anlisis en un cromatgrafo, para cada uno de los compuestos orgnicos voltiles, y los catalizadores impregnados con platino o paladio utilizados, y se determin que estos gases estn compuestos en su mayora por dixido de carbono y agua en menor proporcin siendo los catalizadores utilizados altamente selectivos hacia la produccin de CO2. Esto indica, que la combustin fue completa y esta condicin es favorable al momento de utilizar estos catalizadores estructurados como convertidores catalticos, ya que se evitan emisiones txicas al ambiente. Es importante mencionar, que estos catalizadores fueron reutilizados con distintos COVs, y que cada catalizador fue igualmente activo en las reacciones establecidas con su compuesto correspondiente. Es decir, no se evidenci ningn fenmeno de desactivacin en los catalizadores estructurados utilizados.

Caso N3: Se estudi la actividad cataltica de sistemas en base a platino, xido de manganeso, y xido de manganeso dopado con Pt, todos ellos soportados sobre monolitos de bentonita con relacin Al: Si 3.17. El contenido de platino en los catalizadores corresponde a: 0.23 % p/p para Pt/B y de 0.22% p/p para Pt/Mn/B.

Las variables ms importantes para la seleccin del catalizador son: el tipo de contaminantes, su concentracin y el caudal en la corriente a tratar, y el porcentaje de COVs en la corriente purificada. (Campesi, Mariani et al. 2007)

Los Compuestos Orgnicos Voltiles (COVs) a oxidar catalticamente son: metiletilcetona, cloroformo, tolueno, m-xileno, o-xileno y p-xileno provenientes de laboratorios qumicos, talleres textiles, electromecnica y pintura, local de comidas y local de fotocopias. En el estudio, el caudal de corriente de COVs tratados es:Caudal de los gases (Q) = v x A = 166.8 x 0.00785 = 1.3094 m3 min-1

Los mayores ndices de COVs se encuentran en el taller de electromecnica y pintura seguido por los laboratorios qumicos junto con el taller textil.

Figura 3.3.1: Niveles de COVs en la industria segn rubro.

En el tubo de la chimenea del sistema de oxidacin, se instal un extractor de aire y en el ducto de salida de este extractor se incorpora un sistema cataltico calefaccionado por resistencias elctricas. Los monolitos fueron 8 en total con un rea abierta de 1,4 cm2.

Figura 3.3.2: Monolito de Bentonita.

Figura 3.3.3: Vista de planta y elevacin de la estructura que contiene a los monolitos.

En la siguiente tabla se aprecia la conversin porcentual de los COVs luego de ser tratados:

Tabla 4.1: Conversin Porcentual de los COVs luego de ser tratados.

Como se observa en la tabla anterior el catalizador de Mn/B y el Pt/B tienen un orden de combustin de los contaminantes como se muestra a continuacin: CHCl3 > MEK > Xilenos > Tolueno

El catalizador Mn/B evidencia conversiones superiores al 80% para el CHCl3 y MEK, siendo pobre la actividad cataltica frente al tolueno y xilenos. El catalizador Pt/B demuestra conversiones del orden del 55-60 % para tolueno y xilenos. El catalizador Pt/Mn/B indica mejores porcentajes de conversiones para todos los COVs analizados.

4. DISCUSIONES

4.1 Caso N 1: Los compuestos rgano clorados son un tipo de contaminantes bastante complejos en su tratamiento. Esto se debe a que, al ser oxidados, generan compuestos que pueden daar el catalizador utilizado. Adems, el reactivo en s, al estar expuesto a mezclas puede evitar la reaccin de compuestos no clorados, inhibiendo la actividad del catalizador. En el caso del tricloroetileno, en el estudio se demostr que el catalizador ms ptimo en el tratamiento de TCE es la hidrotalcita cobalto-aluminio, debido a su alta conversin a bajas temperaturas, adems de obtener una selectividad considerable en la formacin de dixido de carbono y cido clorhdrico, siendo los compuestos deseados en generar en el tratamiento, evitando la formacin de nuevos compuestos clorados. El catalizador debe tener un grado de acidez y una propiedad oxidativa elevada, en este tipo de casos.

4.2 Caso N 2: Otro caso estudiado fue para la seleccin de un tipo de disposicin del catalizador. En este caso, se apreciaron los resultados al utilizar el catalizador de paladio y platino, en soportes tipo monolito. Se comprob que, para tres tipos de compuestos en particular, el avance de la conversin de la reaccin de los COVs iba a tener una dependencia con respecto a la temperatura, alcanzndose conversiones ms elevadas en el caso del paladio, a menores temperaturas que el platino. Por otra parte, los productos finales, son mucho menos dainos que los reactivos iniciales. As, la determinacin del tipo de catalizador puede afectar los grados de consumo energtico para la reaccin, debindose elegir el catalizador que menos costos pudiese generar, siempre asociado a la demanda ambiental que pudiese existir. Adems, la forma en que se dispone el tipo de catalizador en su soporte es un factor a considerar, debindose elegir el que mayor superficie de contacto genere con el flujo gaseoso, pero que no tenga grandes prdidas de presin, como es el caso de los monolitos, siendo eficientes y permitiendo elevadas conversiones.

4.3 Caso N 3: Se observ la actividad del catalizador y las conversiones generadas al comparar catalizadores metlicos, xidos metlicos y mixtos. Segn lo establecido, se aprecia que, para los COVs estudiados, existe una alta conversin cuando se utilizan catalizadores mixtos, indistintamente para el tipo de compuesto orgnico voltil, sin considerar los compuestos que puedan afectar su actividad. Es as que, si bien los tres sistemas de catalizadores fueron capaces de disminuir las emisiones de COVs, el catalizador mixto fue capaz de realizar esta labor con una conversin mucho mayor, manteniendo las mismas condiciones operacionales.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Al analizar el comportamiento de dos catalizadores metlicos puros, se apreci que uno de ellos es un mejor convertidor a bajas temperaturas, lo cual permitira generar el tratamiento de descontaminacin, utilizando mejor temperatura en la operacin; As, el paladio es un mejor catalizador que el platino, sin importar el tipo de COVs a tratar.

5.2 La hidrotalcita cobalto-aluminio, es la mejor en cuanto a selectividad, estabilidad y eficiencia energtica, comparadas a los otros catalizadores estudiados.

5.3 El catalizador de Pt/MnOx acredito la mejor actividad cataltica para todos los COVs estudiados respecto a los catalizadores de MnOx y Pt, aunque los tres sistemas fueron capaces de reducir la emisin de CHCl3 y MEK a la atmsfera, favoreciendo a la eleccin de catalizadores mixtos.

5.4 Al comparar los casos particulares se puede inferir que el tratamiento ms adecuado para el tipo de COVs, depender de su naturaleza. Si bien existen catalizadores que tienen una mayor actividad, se deben considerar tambin los posibles daos que pueden provocar los reactivos y productos en el catalizador, buscndose disminuir los costos operacionales. Todo esto estar influenciado por las decisiones econmicas que puedan optar las distintas empresas, bajo los ndices ambientales establecidos. (Agero, Morales et al.)

6. REFERENCIAS

Agero, F. N., et al. "Combustin Cataltica de Compuestos Orgnicos Voltiles sobre catalizadores de MnCu soportado sobre monolitos cermicos."Blanch Raga, N. (2014). Eliminacin cataltica de compuestos orgnicos clorados en corrientes gaseosas.Campesi, M., et al. (2007). "Eliminacin de VOCs mediante un proceso de oxidacin cataltica con recuperacin trmica." Ingeniera Mecnica. Tecnologa y Desarrollo 2(4): 111-119.Colman Lerner, J. E., et al. (2013). Eliminacin cataltica de compuestos orgnicos voltiles presentes en pequeas y medianas empresas mediante la adaptacin de extractores comerciales de aire. VII Congreso de Medio Ambiente.Martnez, O. and L. Garca (2009). "Eliminacin de compuestos orgnicos voltiles (COVs) mediante el uso de catalizadores estructurados a base de esponja de almina impregnados con Paladio o Platino." Revista INGENIERA UC 16(1): 40-44.

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