Recuperación de metano a partir de corrientes de venteo en minas de carbón utilizando MOFs como adsorbentes

Zusammenfassung

La necesidad de fuentes de energía alternativa y la protección del medio ambiente son dos de las mayores preocupaciones mundiales. En la búsqueda de soluciones, además del desarrollo de nuevas fuentes energéticas renovables, es deseable el aprovechamiento y la mejora de procesos energéticos ya existentes, así como una mitigación eficaz de las emisiones más importantes. En este sentido, las emisiones de metano de baja concentración (0.1-1%) procedentes de la ventilación de la minería subterránea de carbón constituyen una fuente energética desaprovechada. Generalmente, estas corrientes son emitidas directamente a la atmósfera, o bien sometidas a un proceso de combustión con muy bajo rendimiento, malgastando la capacidad energética del metano, y emitiendo un gas con un importante potencial de efecto invernadero. Por tanto, la presente Tesis Doctoral plantea la posibilidad de capturar selectivamente dicho metano, evitando así su emisión, y concentrarlo posteriormente hasta valores adecuados para su aprovechamiento energético bajo rendimientos aceptables. En la adsorción, técnica seleccionada para el proceso, la selección del material adsorbente es un parámetro fundamental. A partir de una revisión bibliográfica, se decide trabajar con metal-organic frameworks (MOFs), ya que muestran resultados muy prometedores en procesos de separación y almacenamiento de gases. Inicialmente, se seleccionan tres materiales comerciales (Basolite C300, Basolite F300 y Basolite A100), que se caracterizan morfológicamente y se estudia su rendimiento en la adsorción de metano y nitrógeno, cuya separación selectiva es clave para la concentración de metano. Dicha separación muestra ser muy dependiente de la presencia de open metal sites (OMS) estructurales, con mayor presencia en Basolite C300. Posteriormente, se realizan ensayos bajo condiciones similares a las reales en una explotación minera, entre las que destacan la presencia de humedad relativa (100%) y dióxido de carbono (0.1%). Los resultados revelan gran sensibilidad estructural y una disminución del rendimiento en presencia de humedad, especialmente en el caso de materiales con OMS. Por otro lado, los ensayos en lecho fijo muestran elevadas pérdidas de carga, debido al pequeño tamaño de partícula característico de los MOFs. Además, éstos muestran una gran sensibilidad al pelletizado mecánico, que provoca una destrucción de la cristalinidad, en un intento de incrementar el tamaño de partícula de manera sencilla. Finalmente, la multiplicidad de condiciones probadas, especialmente en lecho fijo, permite la elaboración de un modelo matemático diferencial que describa el proceso de adsorción. Tras la validación experimental, el modelo se emplea en la simulación de escenarios a mayor escala, aplicando distintas tecnologías de adsorción (temperature-swing adsorption y pressure-swing adsorption), optimizando condiciones, e incluso integrando el proceso de recuperación y concentración de metano con una turbina de gas pobre. Como resultado se obtiene un análisis económico desfavorable, principalmente debido al elevado coste actual de los MOFs comerciales, con una baja implantación industrial. En consecuencia, se propone la síntesis de materiales compuestos, consistentes en el soporte de un MOF sobre partículas de un material mesoporoso, con propiedades favorables a la adsorción y separación de metano, con un tamaño de partícula adecuado y elevada resistencia a la humedad. De este modo, se han sintetizado combinaciones de HKUST-1 (homólogo a Basolite C300) soportado sobre partículas de alúmina mediante distintos métodos de impregnación (solvotermal y dip-coating). Por un lado, el método de síntesis a gran escala del MOF y el bajo coste de la alúmina abaratan el proceso, mientras que el elevado tamaño de partícula disminuye la caída de presión. Además, el buen rendimiento del MOF y el carácter hidrofílico de la alúmina actúan en sinergia y disminuyen el efecto del agua sobre la capacidad de adsorción del MOF, especialmente a bajas cargas. Los resultados son prometedores en relación a la aplicación de estos materiales en procesos bajo condiciones reales.