ES2908328T3 - Método y dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono - Google Patents

Método y dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono Download PDF

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Abstract

Un dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono de una mezcla de gases (30), que comprende: i) al menos un recipiente adsorbente (13) que comprende una pluralidad de cartuchos permeables a los gases (7) de un material inerte y dimensionalmente estable (7), en donde cada cartucho (3) comprende un adsorbente particular polimérico adecuado (19) para dióxido de carbono que tiene una funcionalidad amina primaria a una capacidad total de al menos 2,0 eq./l, un área superficial (BET) en el intervalo de 25 a 75 m2/g, y un diámetro promedio de poro de 1 a 200 nm, en una configuración suelta, y en el que cada cartucho (3) comprende además una membrana (8) o malla (18) permeable a los gases con un diámetro promedio de poro en el intervalo de 0,01 - 0,25mm, para sujetar el adsorbente (19), ii) medios para la desorción del dióxido de carbono adsorbido del adsorbente (19) en cada cartucho (3) mediante una variación de presión, humedad y/o temperatura de adsorción en el cartucho (3), y iii) medios (17) para dirigir el dióxido de carbono desorbido de cada cartucho; y iv) un medio (21) para calentar eléctricamente el adsorbente saturado a una temperatura de 60 °C a 150 °C.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono
Campo de la invención
El objeto de la invención se refiere a un método y un dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono de una mezcla de gases.
La invención se refiere a un sistema de regeneración que comprende un adsorbente para la captura reversible de dióxido de carbono de una corriente de gas, que incluye el aire ambiente.
Los procesos aplicados actualmente para la adsorción y desorción de dióxido de carbono, típicamente se centran en corrientes de gas con altas concentraciones del mismo, por ejemplo, gases de combustión de procesos industriales y de producción de energía, tales como por ejemplo procesos de gasificación integrada a ciclos combinados (IGCC). En la presente descripción, típicamente se emplean componentes fluidos los cuales están en contacto con la mezcla de gases, y son de elevado consumo energético y/o impulsados por las concentraciones comparativamente altas de dióxido de carbono. Típicamente, estos procesos también eliminan otros componentes gaseosos de los gases de combustión, como el nitrógeno y los óxidos de azufre. El dióxido de carbono así obtenido puede separarse y típicamente se presuriza para su almacenamiento y uso; sin embargo, típicamente contiene impurezas que son difíciles de separar.
Donde se usan materiales adsorbentes sólidos con superficies funcionalizadas para la adsorción de dióxido de carbono, este generalmente se encuentra contenido en un sistema cerrado, tal como chimeneas. En el caso de los sistemas de reciclaje de aire para espacios confinados, tales como oficinas, submarinos y naves espaciales, el material se mantiene empaquetado en forma de lecho empacado y se alimenta con gas presurizado.
Alternativamente, el dióxido de carbono embotellado está disponible en empresas que producen gases embotellados a través de la separación del aire, típicamente mediante el uso de procesos de licuefacción de aire criostático a gran escala. De nuevo, típicamente los productos incluyen dióxido de carbono sólido concentrado y líquido embotellado, típicamente de alta calidad. Sin embargo, los procesos de licuefacción consumen una enorme cantidad de energía, adicionalmente a los costos de transporte y el uso de energía para almacenamiento y transporte a un usuario adecuado.
Por el contrario, un uso importante del dióxido de carbono es en la producción de plantas en invernaderos y, cada vez más, también para la producción de microalgas en fotobiorreactores, para combustibles y productos derivados de estos.
Sin embargo, los procesos de producción de dióxido de carbono descritos anteriormente típicamente se localizan en áreas industriales que están alejadas de las de aplicación potencial, lo que adiciona costos para transporte de dióxido de carbono embotellado o requiere la instalación de tuberías que son costosas y difíciles de mantener. Al mismo tiempo, se sabe que los propietarios de invernaderos a menudo queman gas natural o incluso carbón y usan la mezcla de gases de combustión para aumentar el crecimiento de las plantas en los invernaderos, dado que los costos de esta son más bajos que los del dióxido de carbono embotellado, a pesar del impacto medioambiental negativo. Además, los componentes de la mezcla de gases de combustión pueden, muy bien, afectar negativamente al crecimiento de las plantas.
En consecuencia, existe la necesidad de un proceso que pueda generar eficientemente y con bajo consumo de energía una mezcla de gases que comprende dióxido de carbono en una concentración más alta que en el aire ambiente, preferentemente también sin que comprenda componentes nocivos.
Recientemente, se han informado procesos que usan la adsorción sobre aminas sólidas para capturar el dióxido de carbono atmosférico. El documento WO-A-2010/091831 por ejemplo, describe una estructura compuesta por filamentos de fibra en donde el material de fibra es carbono y/o poliacrilonitrilo y que contiene un sorbente con grupos amina que es capaz de un ciclo reversible de adsorción y desorción para capturar CO2 de una mezcla de gases.
El documento WO-A-2007/016271 y WO-A-2008/131132 describe métodos para retirar dióxido de carbono de una corriente de gas, que comprende poner la corriente de gas en contacto con una resina funcionalizada con amonio terciario o cuaternario colocada en una cámara de geometría de rodillo o una pluralidad de cámaras de geometría de rodillo conectadas en serie, humedecer la resina con agua, colectar el vapor de agua y dióxido de carbono de la resina, y separar el dióxido de carbono del vapor de agua.
El documento US20110296872 describe un proceso para retirar dióxido de carbono de una corriente de gas, que comprende poner en contacto la corriente de gas con un sustrato inorgánico sólido sorbente que comprende un material inorgánico inmovilizado funcionalizado con amonio como sorbente, y liberar posteriormente el dióxido de carbono.
El proceso descrito tiene el problema de lograr una adsorción y velocidades de flujo adecuadas a través del sustrato sorbente, mientras también tiene que mover el sustrato para liberar el dióxido de carbono.
El documento WO00/02643 describe un proceso para retirar dióxido de carbono de cabinas cerradas o semicerradas de aeronaves o submarinos, mediante el uso de uno o más lechos paralelos de perlas de resinas de intercambio iónico que tienen grupos bencilamina para eliminar dióxido de carbono de espacios cerrados o semicerrados, aeronaves o cabinas de submarinos; por lo que la regeneración solo puede tener lugar una vez que haya acceso al aire exterior, sin el problema de la toxicidad del dióxido de carbono liberado.
El documento US2011/146487 describe un dispositivo para la desorción reversible de gases de una mezcla de gases, entre los cuales CO2. Sin embargo, el documento no dice nada sobre los adsorbentes específicos que pueden emplearse, y tampoco proporciona medios o disposiciones específicos de calentamiento. Un artículo de W. Richard Alesi y otros, en Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 51, núm. 19, 7 de mayo de 2012, describe el uso de un adsorbente específico para la adsorción y desorción reversible de CO2, mediante el uso de alta presión y cambios de temperatura.
Los solicitantes ahora han encontrado un proceso y un dispositivo para ejecutar el proceso que proporciona mezclas de gases que tienen un mayor nivel de dióxido de carbono, lo cual permite operar con un mayor rendimiento de dióxido de carbono y con un uso de energía significativamente menor.
El proceso y dispositivo en cuestión permite producir mezclas de gases que tienen un nivel aumentado de dióxido de carbono sin la necesidad de usar equipos altamente presurizados y/o dispositivos criostáticos, con un gasto financiero menor que otros procesos de captura de aire conocidos. También este tiene un requerimiento de menor volumen, mayor estabilidad; no crea olores perceptibles, tal como típicamente el caso cuando son usadas aminas cuaternarias, y ofrece al menos un nivel igual o superior de rendimiento de captura de CO2 con respecto a peso y más práctico que los procesos actuales que usan adsorbentes sólidos o líquidos.
Resumen de la invención
En consecuencia, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono de una mezcla de gases, que comprende:
i) al menos un recipiente adsorbente que comprende una pluralidad de cartuchos de un material inerte y dimensionalmente estable permeables a los gases, en donde cada cartucho comprende un adsorbente particular polimérico adecuado para dióxido de carbono que tiene una funcionalidad amino primaria a una capacidad total de al menos 2,0 eq./l, un área superficial (BET) en el intervalo de 25 a 75 m2/g, y un diámetro promedio de poro de 1 a 200 nm, en una configuración suelta, y en donde cada cartucho comprende además una membrana o malla permeable a los gases con un diámetro promedio de poro en el intervalo de 0,01-0,25 mm, para contener el adsorbente,
ii) medios para la desorción de dióxido de carbono adsorbido del adsorbente en cada cartucho por medio de variaciones de la presión, humedad y/o temperatura en el cartucho, y iii) medios para dirigir el dióxido de carbono desorbido desde cada cartucho; y iv) medios para calentar eléctricamente el adsorbente saturado a una temperatura de 60 °C a 150 °C.
En un segundo aspecto, el objeto de la invención se refiere a una disposición para mejorar el crecimiento de las plantas, que comprende un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y que comprende además medios para distribuir el dióxido de carbono desorbido, tal como un conducto de gas, y/o un rociador. El término "rociador" en la presente descripción puede ser cualquier medio adecuado para la distribución de gas, que incluye difusores cerámicos o metálicos para uso acuático.
En aún otro aspecto más, la presente invención se refiere a un proceso para separar dióxido de carbono de una mezcla de gases por medio de variación de presión y/o humedad y/o temperatura, proceso de adsorción-desorción en un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, el proceso que comprende las etapas de:
(a) poner en contacto la mezcla de gases con el adsorbente a una presión P1, una humedad H1 y una temperatura T1 hasta que se adsorba una cantidad deseada de dióxido de carbono en el adsorbente, y
(b) desorber al menos parte de dióxido de carbono adsorbido en la etapa (a), para producir una corriente enriquecida en dióxido de carbono a una presión total P2 y/o una temperatura T2, a cuya temperatura el dióxido de carbono tiene una constante de adsorción más baja con respecto al adsorbente y, por lo tanto, al menos en parte se desorbe, en donde la etapa (b) incluye calentar el adsorbente en un cartucho con un medio de calentamiento eléctrico a una temperatura de 60 °C a 150 °C, y que comprende además:
(c) dirigir la corriente gaseosa liberada que comprende el dióxido de carbono desorbido a una aplicación deseada.
Breve descripción de las figuras
Las modalidades de la invención se describen con mayor detalle a continuación con relación a los dibujos, en donde: La Figura 1 describe una vista esquemática del proceso descrito anteriormente el cual comprende tres elementos principales: los cartuchos, un volumen de recinto sellable para alojar los cartuchos y energía relacionada con el proceso y flujos de fluidos.
La Figura 2 describe una representación de una pila de adsorbente que comprende un grosor preferido de cartucho y una separación optimizada de cartucho para la captura de CO2 atmosférico ambiental.
La Figura 3 muestra una vista general esquemática de una disposición preferida.
La Figura 4 muestra la desorción de CO2 con el tiempo.
La Figura 5 muestra el aumento de masa en % en peso de adsorbente en cartuchos de 1 y 5 cm de espesor en condiciones ambientales (22 °C, 380 ppm CO2, 45 % de humedad).
Las Figuras 6 y 7 muestran esquemáticamente una disposición preferida para usar en un acuario, con un solo cartucho y calentamiento eléctrico para la regeneración.
La Figura 8 muestra una línea para usar con un acuario.
Los números de referencia se recopilan en la Tabla 1:
T l 1 N m r r f r n i
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Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere a la captura de dióxido de carbono de una mezcla de gases, preferentemente aire ambiente, la cual podría proporcionar a los usuarios actuales y futuros de dióxido de carbono una fuente sostenible, en el sitio, de dióxido de carbono que ofrece una mayor confiabilidad de suministro y flexibilidad de ubicación. La tecnología puede emplearse ventajosamente para mejorar el crecimiento de las plantas, por ejemplo, en invernaderos para plantas alimenticias o energéticas, o con fines decorativos tales como flores; para la producción de biocombustibles o nutracéuticos a través de microalgas, y para otras aplicaciones, tales como en la industria de las bebidas, para almacenamiento bajo dióxido de carbono, para aplicaciones médicas, y demás.
El proceso y el dispositivo en cuestión son particularmente adecuados para la fertilización mediante el enriquecimiento con dióxido de carbono de un ambiente de invernadero, donde el proceso puede aumentar el rendimiento de los cultivos y, por lo tanto, los ingresos, hasta en un 40 %.
Otras ventajas del proceso de dióxido de carbono de acuerdo con la invención cuando se usa en invernaderos u otras aplicaciones con respecto a las fuentes tradicionales de dióxido de carbono incluyen una mayor fiabilidad de suministro de CO2;
mayor flexibilidad de ubicación para el invernadero al no tener que considerar una fuente fija de CO2; una mezcla de CO2 sin contaminantes perjudiciales para el crecimiento de las plantas; más control sobre el suministro de CO2 entregado al operador del invernadero; y la posibilidad de usar CO2 sostenible capturado en el aire como una herramienta de marketing para mejorar las ventas de la cosecha de invernadero.
Una aplicación particularmente útil de la presente invención se refiere a un método y aparato para suministrar dióxido de carbono a viveros, tales como terrarios y acuarios. Más particularmente, se refiere a un aparato de producción y suministro de dióxido de carbono y un método relacionado para aumentar la concentración de dióxido de carbono en acuarios, para promover la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas.
Es bien sabido que durante la fotosíntesis las plantas absorben dióxido de carbono del medio circundante y lo convierten en carbohidratos simples, utilizando la energía del sol, mientras liberan oxígeno.
Este proceso es esencial para la supervivencia y el crecimiento de la planta. La tasa de fotosíntesis es afectada, entre otros factores, por la disponibilidad de dióxido de carbono en el medio circundante. Una mayor concentración de dióxido de carbono conducirá a un aumento de la tasa de fotosíntesis, mientras que una baja concentración de dióxido de carbono retardará severamente la tasa de fotosíntesis.
Las plantas acuáticas requieren dióxido de carbono disuelto en el agua circundante que les permita crecer. La concentración de dióxido de carbono en el agua está limitada, en parte, por el área superficial del agua que está en contacto con un suministro de dióxido de carbono, como la atmósfera, y el volumen de agua en el cual puede disolverse el dióxido de carbono. La misma lógica se aplica a otros tipos de viveros cerrados que requieren condiciones ambientales específicas, por ejemplo, contenedores cerrados para mantener vivo un ecosistema. El término "vivario" en la presente descripción se refiere a tanques, piscinas u otros contenedores esencialmente rellenados con agua para mantener peces vivos y otros animales aeróbicos acuáticos, incluidos los tanques de almacenamiento; y terrarios, es decir, recintos para mantener y criar animales y plantas vivos y observarlos en condiciones naturales. Los ejemplos incluyen jardines cerrados en miniatura para, por ejemplo, plantas tropicales tales como orquídeas o helechos, de manera que típicamente estos se encuentran en un entorno cerrado transparente a la luz del sol, que permite la percolación de corrientes de vapor de agua y gas, creando de esta manera ecosistemas autosustentables.
Los océanos, ríos o lagos tienen áreas superficiales y volúmenes relativamente grandes con respecto a los pocos organismos fotosintéticos, los acuarios típicamente suelen ofrecer solo un área superficial relativamente pequeña y contener típicamente una elevada proporción de materia vegetal. Esto requiere una concentración relativamente alta de dióxido de carbono en el agua para permitir que las plantas prosperen. Además, el mantenimiento de los organismos acuáticos a menudo requiere condiciones ambientales específicas, que incluye parámetros importantes tales como la temperatura del agua, pH, presencia de sales y la cantidad de gases disueltos, que incluye oxígeno y monóxido y dióxido de carbono.
El potencial de crecimiento y proliferación de ciertas formas de vida acuática también puede requerir la presencia de flora y fauna específicas del hábitat natural además de la presencia de nutrientes apropiados. Por lo tanto, existe una tendencia general a fomentar el crecimiento de ciertas especies de plantas en los acuarios, también debido a la producción de oxígeno fotosintético, creando así un mejor ambiente para los organismos aerobios acuáticos, así como también por razones estéticas. Típicamente, la concentración de dióxido de carbono del agua del acuario se mantiene a un elevado nivel alto para estimular el crecimiento de las plantas y, de esta manera, también ayuda a mantener la concentración de oxígeno disuelto. Los sistemas actualmente empleados tienden a utilizar dióxido de carbono comprimido procedente de cilindros de gas comprimido. Esta solución requiere válvulas reductoras de alta presión y tuberías de alta presión, lo cual no es práctico para el propietario promedio de un acuario, debido al alto gasto de capital y los altos costos de mantenimiento, y el reemplazo regular de las botellas vacías de gas. Una alternativa a tales sistemas usa el dióxido de carbono liberado por la fermentación de, por ejemplo, azúcar por levaduras para producir CO2, el cual es luego introducido en el acuario.
La presente invención se refiere a un dispositivo para el suministro de dióxido de carbono atmosférico a viveros, y en particular a acuarios, el cual no requiere el uso de gas comprimido o especies confinadas generadoras de dióxido de carbono.
En consecuencia, también es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema capaz de producir y disolver de forma segura dióxido de carbono en acuarios, evitando al mismo tiempo los problemas de los sistemas empleados actualmente.
Además, es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema capaz de introducir contraídamente dióxido de carbono en el agua del acuario selectivamente.
Por lo tanto, la invención se refiere a un aparato regenerador para producción y suministro de dióxido de carbono para acuarios que comprende un adsorbente para capturar dióxido de carbono reversiblemente de una corriente de gas, que incluye aire ambiente, el aparato que comprende un dispositivo de adsorción/desorción capaz de producir una corriente de gas enriquecida con dióxido de carbono, un medio de distribución capaz de introducir dióxido de carbono o aire en un acuario a través del cual se suministra el dióxido de carbono al acuario.
Por tanto, la invención se refiere a un dispositivo para la adsorción de dióxido de carbono de una corriente de gas sobre un adsorbente que es adecuado para la adsorción regeneradora de dióxido de carbono, que comprende además medios para desorber el dióxido de carbono y subsecuentemente suministrar el dióxido de carbono desorbido a un acuario, que comprende medios para el suministro de la corriente de gas enriquecida con dióxido de carbono a un acuario para formar al menos en parte dióxido de carbono disuelto. La regeneración del adsorbente se realiza calentando eléctricamente el adsorbente saturado.
La presente invención hace uso de un proceso de adsorción y desorción reversible, en donde la composición adsorbente puede regenerarse, es decir, el dióxido de carbono absorbido puede liberarse de nuevo, por ejemplo, mediante variación de temperatura, humedad y/o presión.
Pueden emplearse diferentes adsorbentes de acuerdo con las circunstancias requeridas. Para el suministro de dióxido de carbono a, por ejemplo, acuarios, el adsorbente puede ser cualquier adsorbente adecuado que permita la adsorción y desorción regeneradora en las condiciones suaves que se emplean. Los adsorbentes típicos son sólidos, típicamente con funcionalidad amina, tales como componentes poliméricos inorgánicos u orgánicos con áreas superficiales suficientemente altas por volumen, por ejemplo, zeolitas, alúmina, sílice, sílice alúmina y polímeros orgánicos, como perlas ligeras y porosas o membranas.
Los ejemplos incluyen zeolitas, también denominadas tamices moleculares; materiales a base de cerámica, por ejemplo. alúmina, alúmina-sílice; titania; carbón activado, todos los cuales pueden estar modificados por aminas adecuadas, por ejemplo, dietanolamina (DEA) o polietilenimina (PEI); o materiales a base de divinilbenceno, o geles de sílice modificados con etilendiamina
Mientras que los materiales inorgánicos típicamente sobresalen en alta resistencia física, las condiciones de modificación y regeneración requieren alta temperatura y presión, debido, por ejemplo, a la alta capacidad calorífica, lo cual hace que a menudo no sea adecuado para uso doméstico o aplicaciones en condiciones suaves.
Puede emplearse carbón activado, por ejemplo, carbón activado embebido en DEA; sin embargo, se encontró que este compuesto no tiene suficiente estabilidad para un uso prolongado, ya que mostró degradación en condiciones ambientales después de dos meses.
El presente proceso hace uso preferentemente de un adsorbente particular que tiene una funcionalidad amina primaria, por ejemplo, bencilamina, ya que se encontró que esta era más efectiva y altamente estable. Tales materiales tienen un uso muy extendido como resinas de intercambio iónico en forma de perlas. Los usos típicos son en tratamiento de desechos y la purificación de agua. Las resinas pueden producirse en forma de perlas o membranas, incluyendo estas últimas perlas con una distribución particular de tamaño de partícula, en dependencia del proceso de fabricación.
Las perlas poliméricas pueden funcionalizarse para actuar como intercambiadores de iones o absorbentes/adsorbentes para ciertas moléculas. Típicamente, ellas se mantienen en una configuración de lecho empaquetado en un sistema cerrado y se usan como medio de filtración. Después de completar su tarea de purificación/captura, suelen regenerarse mediante lavado con una solución o mediante la aplicación de calor.
Los solicitantes encontraron que un adsorbente particularmente adecuado para el presente proceso y dispositivo es un adsorbente polimérico particular que tiene una funcionalidad amina primaria a una capacidad total de al menos 2,0 eq./l, un área superficial (BET) en el intervalo de 25 a 75 metro2/g, y un diámetro promedio de poro de 1 a 200 nm, con mayor preferencia de 5 a 150 nm.
El área superficial puede determinarse preferentemente de acuerdo con Brunauer-Emmett-Teller (BET) Determinación del área superficial - Método de prueba - BS 4359-1:1996 (ISO 9277:1). La capacidad total y otras propiedades pueden determinarse preferentemente de acuerdo con el método de prueba ASTM D2187-94.
Un adsorbente particularmente preferido es una perla de amina libre de base funcionalizada con la amina primaria bencilamina y soportada sobre una estructura de poliéster poroso reticulado con divinilbenceno. El adsorbente está preferentemente en forma de perlas esféricas, las cuales están funcionalizadas con grupos bencilamina. Por lo tanto, la matriz polimérica comprende poliestireno reticulado. Preferentemente tiene una actividad expresada como capacidad total de al menos 2 eq./l, con mayor preferencia al menos 2,1 y aún más preferentemente al menos 2,2.
Preferentemente tiene un coeficiente de uniformidad de 1,9 como máximo, con mayor preferencia de 1,8 como máximo.
Las perlas tienen preferentemente un tamaño en el intervalo de 0,25 a 1,5 mm, con mayor preferencia de 0,3 a 1,3 mm, para al menos el 85 % de las partículas presentes. El adsorbente tiene preferentemente una densidad aparente de 600 g/l a 720 g/l, con una variación de /- 5 %.
El índice tasa de retención de agua preferentemente está en el intervalo de 60 a 75 % en peso. con mayor preferencia en el intervalo de 65 a 70 % en peso.
El área superficial del adsorbente (BET) preferentemente está en el intervalo de 30 a 65 m2/g, con mayor preferencia de 40 a 60 y con la máxima preferencia de 45 a 55 m2/g.
El volumen de poros preferentemente está en el intervalo de 0,2 a 0,4 cm3/g. El adsorbente tiene preferentemente un diámetro promedio de poro de 25 nm.
El adsorbente se coloca en uno o más medios que contienen elementos, denominados en adelante cartuchos en la presente descripción. El adsorbente preferentemente está en una configuración suelta, es decir, no en una configuración de lecho compacto, para permitir que la mezcla de gas circule a través del adsorbente sin necesidad de presurizar significativamente la mezcla de gas alimentada.
El cartucho comprende además una membrana o división permeable a los gases que tiene un diámetro promedio de poro en el intervalo de 0,01 a 0,25 mm para permitir a la mezcla de gases un amplio acceso a las partículas adsorbentes, mientras mantiene las partículas adsorbentes en su lugar. Los cartuchos pueden comprender además medios adicionales para mantener el adsorbente en su lugar, por ejemplo, pueden tener forma de bolsas escalonadas o mantener estructuras corrugadas, facilitando que estas no influyan negativamente en la difusión de la mezcla de gases a través de las partículas adsorbentes o perlas.
El adsorbente también puede emplearse de una manera diferente, por ejemplo, este puede venir en forma de perlas, pero también de otras formas, por ejemplo, cilindros, láminas, bloques sólidos pueden ser útiles, siempre y cuando ellos proporcionen el área superficial y actividad requeridas. Los bloques pueden prepararse, por ejemplo, mediante procesos que incluyen moldeo por inyección.
Preferentemente, e independientemente de la forma real elegida, los cartuchos tienen un grosor en la dirección del flujo de la mezcla de gases en el intervalo de 5 mm a 50 mm, y están separados en una distancia suficiente para permitir la difusión adecuada del dióxido de carbono atmosférico entre ellos.
Los solicitantes encontraron que el grosor de los cartuchos era relevante para la velocidad de adsorción y en gran medida independiente de varias velocidades bajas de flujo de gas. Un mayor grosor ya no permite tener ciclos útiles de adsorción/desorción para procesos industriales, los cuales preferentemente están en el intervalo de 2 a 24 horas si se trabaja en condiciones ambientales.
Las velocidades reales de flujo de gas están preferentemente en el intervalo de 0,1 a 15 m/s, con mayor preferencia en el intervalo de 0,5 a 5 m/s. La forma y el grosor reales de los cartuchos pueden ajustarse de acuerdo con el ciclo de regeneración de adsorción-desorción deseado, el cual preferentemente está en el intervalo de 2 a 24 horas. Preferentemente, los cartuchos se colocan secuencialmente con respecto a la dirección de la mezcla de gases. El dispositivo de acuerdo con la invención comprende además preferentemente medios para el suministro de la mezcla de gases a los cartuchos.
El dispositivo permite ventajosamente el uso de fuentes de calor de bajo grado, con mayor preferencia fuentes de calor renovables o sostenibles, por ejemplo, energía geotérmica, energía solar o calor industrial de desecho para la desorción.
El calor puede aplicarse al dispositivo a través de un intercambiador de calor, cuando sea adecuado. Durante la regeneración, es decir, el proceso de desorción, puede aplicarse una construcción adecuada como una válvula inversa u otros medios para sellar el dispositivo del flujo de aire ambiental con el fin de capturar el dióxido de carbono liberado.
El proceso de desorción se realiza preferentemente mediante un fluido, por ejemplo, una corriente de gas tal como aire, vapor de agua o agua que purga el adsorbente, preferentemente a presión atmosférica o reducida. Esta corriente de fluido también puede usarse para calentar el sistema para el proceso de desorción antes y después de ingresar a la estructura.
El presente dispositivo y proceso es particularmente adecuado para producir corrientes de gas enriquecidas con dióxido de carbono, tales como el aire, que contienen del 1 % al 99,99 % de dióxido de carbono, el cual está, por ejemplo, en el intervalo exigido por los operadores de invernaderos que fertilizan sus plantas con concentraciones elevadas de e dióxido de carbono.
Preferentemente, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende además medios para la desorción del dióxido de carbono adsorbido mediante variación de la presión de adsorción, humedad y/o temperatura, y medios para dirigir la mezcla de gas desorbido desde los cartuchos de adsorbente.
El dispositivo y el proceso funcionan preferentemente a una presión en el intervalo de 0,05-1,5 bar, con mayor preferencia de 0,1-1,3 bar.
El dispositivo y el proceso funcionan preferentemente a una temperatura de -20 a 150 °C, preferentemente en el intervalo de 0 a 120 °C, con mayor preferencia de 10 a 100 °C.
Preferentemente, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende además un medio de recuperación de calor y/o fluidos, y una mezcla de gases desorbida. Preferentemente, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende además un medio para medir el nivel de adsorción de dióxido de carbono y/o las velocidades de flujo de gas.
Preferentemente, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende un medio para poner en contacto el adsorbente con un fluido caliente para inducir la desorción del dióxido de carbono.
Preferentemente, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende además una disposición para someter los cartuchos a presión reducida, y subsecuentemente poner en contacto los cartuchos con agua que tiene una temperatura en el intervalo de 60 °C a 100 °C, y medios para separar agua o vapor de agua del dióxido de carbono liberado para reciclar a la disposición.
Preferentemente, en el dispositivo de acuerdo con la invención, uno o más cartuchos están dispuestos secuencialmente y/o en paralelo de manera que uno o más cartuchos pueden retirarse para la sustitución y/o mantenimiento de cualquier cartucho sin tener que detener el proceso de adsorción.
La presente invención se refiere además a una disposición que también comprende un invernadero para plantas superiores o un fotobiorreactor para el crecimiento de microalgas.
La disposición comprende preferentemente un medio de suministro de energía de bajo grado, preferentemente una fuente renovable de calor, como se ha expuesto anteriormente.
En el proceso de acuerdo con la invención, la etapa (b) incluye poner en contacto los cartuchos con un fluido a una temperatura en el intervalo de 60 °Ca 100 °C, y opcionalmente, a presión reducida. Preferentemente, el fluido es agua o aire.
Alternativamente, la etapa (b) incluye calentar el material adsorbente directamente en un cartucho. Esto puede hacerse ventajosamente al tener medios de calentamiento presentes en el cartucho, por ejemplo, alambres o láminas de metal que pueden calentarse eléctricamente mediante resistencia o inducción. Preferentemente, estos están hechos de un material adecuado el cual es inerte frente al material adsorbente y el dióxido de carbono formado.
Los ejemplos de tales materiales incluyen alambres de paladio, platino, níquel, cobalto, cromo y/o hierro, o aleaciones de los mismos tales como Ni/Cr. La temperatura requerida para una liberación adecuada depende del material a emplear, pero generalmente no debe alcanzar una temperatura en donde el adsorbente comience a liberar amina o inicie la retropolimerización. Una temperatura más baja aplicada, por ejemplo, calentar el adsorbente a una temperatura de 60 °C a 80 °C permitirá más ciclos sin desactivación o descomposición del adsorbente en comparación con el calentamiento a temperaturas superiores a 150 °C.
El proceso comprende preferentemente las etapas (a) y (b) alternadas en un patrón de entre 2 minutos y 2 días, con mayor preferencia entre 30 minutos y 24 horas. Preferentemente, el flujo de la mezcla de gases para la etapa (b) se invierte, la temperatura aumenta. Cuando se desea un flujo constante, esto puede lograrse ventajosamente mediante el uso de un tampón, de manera que la cantidad de dióxido de carbono liberada en la aplicación final puede mantenerse constante, o mediante el uso de más de un cartucho en paralelo, no obstante, las diferentes etapas del ciclo.
Para aplicaciones acuáticas tales como acuarios, la presente invención tiene el beneficio de que la cantidad de dióxido de carbono liberado y, por lo tanto, presente en un acuario puede regularse fácilmente por la cantidad de aire que se elimina del adsorbente en condiciones de regeneración, por ejemplo, al calentar. Esto permite lograr una serie de condiciones muy relevantes en el volumen de un acuario mediante controles simples de flujo y temperatura y, por lo tanto, hace que el proceso y el aparato en cuestión sean particularmente valiosos para esta aplicación. En consecuencia, la presente invención también se refiere al uso del aparato y proceso para controlar el pH de un entorno acuoso dado. El control del pH mediante simple adición de dióxido de carbono a un flujo y una cantidad predeterminados permite, por ejemplo, el control de la calidad del agua de estanques de peces e instalaciones piscícolas, tales como, por ejemplo, piscifactorías o estanques de carpas koi, en donde la calidad de los peces, camarones o koi está resguardada. Los kois (Cyprinus carpio carpio) tienden a mancharse con un pH muy alto o muy bajo, lo cual es perjudicial para su valor, mientras que las piscifactorías necesitan condiciones diferentes, aunque controladas, para las larvas de peces o etapas posteriores del desarrollo de los peces.
Otro uso es la provisión de dióxido de carbono para la formación de carbonato de calcio en estanques de agua salada, por ejemplo, para formas de vida acuática que forman colonias, como corales, o para la formación de exoesqueletos de microalgas diatomeas.
El control del pH del agua también puede emplearse para controlar la calidad del agua en sistemas cerrados, por ejemplo, tuberías de agua potable o de uso en grandes embarcaciones marinas, como cruceros o portaaviones. En la actualidad, estos típicamente emplean botes de dióxido de carbono a alta presión que deben cambiarse a instancias regulares para el control del agua en las tuberías de los barcos.
El proceso comprende preferentemente la etapa (c) de dirigir la corriente gaseosa liberada que comprende el dióxido de carbono desorbido a una aplicación deseada, que incluye un invernadero, una fotoincubadora de (micro) algas, una planta de bebidas y/o una instalación de almacenamiento.
El sistema también puede incluir ventajosamente un tampón de almacenamiento. Preferentemente, el tampón de almacenamiento comprende almacenar una cantidad de mezcla de gas enriquecida con dióxido de carbono como se requiera de desde 0,1 a 2 días de uso de CO2 para una aplicación particular. El tampón puede contener el gas CO2 en forma comprimida, o aprovechando una estructura sólida de almacenamiento tal como el Carbón Activado o un armazón metálico orgánico.
La presente invención también se refiere al uso del dispositivo, la disposición y el proceso en cuestión para su uso en aplicaciones de aire acondicionado/ventilación, en donde el dióxido de carbono puede eliminarse de espacios confinados tales como edificios, oficinas, habitaciones de hotel, escuelas, aviones, submarinos, trenes de alta velocidad, y similares, con o sin cabinas presurizadas.
Esta, además, se relaciona con el suministro de dióxido de carbono para laboratorios/equipos científicos y/o instalaciones médicas, donde actualmente se emplea gas comprimido.
Parte experimental
Los siguientes ejemplos no limitantes ilustran la utilidad de la presente invención.
Ejemplo 1: Prueba de adsorción
Un cartucho redondo es rellenado con sin apretar con material adsorbente, el cual se mantuvo en un contenedor entre dos capas de malla, con un grosor de 1 cm. El material adsorbente era una resina de intercambio iónico funcionalizada con amina primaria (un adsorbente particular polimérico basado en divinilbenceno que tiene una funcionalidad amina primaria a una capacidad total de al menos 2,0 eq./l, un área superficial (BET) en el intervalo de 25 a 75 m2/g y un diámetro promedio de poro de 5 a 150 nm) y se mantuvo entre dos capas de malla metálica de porosidad adecuada colocadas en un contenedor hermético sellable. El contenedor estaba conectado a una bomba de vacío y un sensor de dióxido de carbono que medía las corrientes salientes de gas. La temperatura y la humedad, así como también la concentración de dióxido de carbono, se midieron mediante sensores adecuados durante toda la prueba.
El adsorbente se expuso mediante la abertura del contenedor, lo que permitió la difusión natural de CO2 en el material. Luego este se calentó de 60 °C a 100 °C.
Durante este proceso el CO2 adsorbido fue liberado y el gas resultante enriquecido en CO2 en el interior del contenedor se bombeó a través de un medidor de flujo y un sensor de CO2. La combinación de mediciones de estos componentes permitió la medición directa de la cantidad de CO2 adsorbido por el material durante el período de exposición (ver la Figura 4, que muestra la desorción a lo largo del tiempo, a una velocidad de flujo continuo de 1,0 l/min).
La Tabla 2 describe la adsorción de dióxido de carbono, en donde los niveles de adsorción dados como porcentaje de [masa de CO2 adsorbido] / [masa seca de material sorbente].
Tabla 2: Adsorción CO2.
Figure imgf000010_0001
A continuación, se cerró el contenedor y se eliminó el gas adsorbido mediante la aplicación de vacío, mientras se medía la concentración de dióxido de carbono.
Resumen de los resultados
Como se describió, los cartuchos de material pueden exponerse al aire ambiente con un grosor determinado que elimina la necesidad de usar gas presurizado en el proceso de captura. La prueba demuestra que la adsorción de CO2 en esta configuración es adecuada mediante el uso de una configuración especializada que expone el material a un grosor de 10 mm.
Ejemplo 2: Prueba de adsorción ambiental
Dos cartuchos rectangulares que tienen unas dimensiones de largo por ancho de 10 cm, con un grosor de lecho adsorbente para el cartucho 1 de 1 cm, y de 5 cm para el cartucho 2 por 20 cm (largo por ancho por alto). Los cartuchos comprendían una malla de acero inoxidable, se rellenaron sin apretar con una resina de intercambio iónico funcionalizada con amina primaria, es decir, un adsorbente particular polimérico basado en divinilbenceno que tiene una funcionalidad amina primaria con una capacidad total de al menos 2,0 eq./l, un área superficial ( BET) en el intervalo de 25 a 75 m2/g, y un diámetro promedio de poro de 5 a 150 nm). Los cartuchos de prueba se colocaron en un horno de vacío con purga de nitrógeno (MSL) para eliminar todo el dióxido de carbono adsorbido. Después, los cartuchos se sacaron del horno de vacío y se colocaron en una balanza, de esta manera exponiéndolos al aire ambiente. El aumento de peso se midió a lo largo del tiempo y se corrigió para la humedad. La adsorción de dióxido de carbono se midió mediante un Mettler Toledo de balance de masas/intervalo de 4 kg (MSL), y Sartorius BP310S desbalance de masas/intervalo de 310 g (MSL).
El resultado indicó que a una velocidad de viento dada, el cartucho 1 mostró una tasa de adsorción suficientemente alta que permitió una velocidad de adsorción/desorción suficientemente rápida para un proceso industrial, mientras que el adsorbente adicional en el cartucho 2 no permitió aumentar la cantidad de dióxido de carbono que podría adsorberse y desorberse en este ciclo, como se ilustra en la Figura 5.
Ejemplo 3: Disposición para regeneración calentada eléctricamente
En un cartucho de acuerdo con el ejemplo 2 que tiene un volumen de 100 cm3, previo a la carga con material adsorbente, un cable de Nicromo, como típicamente se usa en los secadores de pelo como medio de calentamiento, de 40 cm de largo, se inserta de manera que permitiera calentar la totalidad del contenido del cartucho, mediante transferencia directa de calor al adsorbente, el cual está en contacto directo con el cable (ver Figura 6). Después, se cargó el cartucho con adsorbente. La aplicación de menos de 15 W de electricidad al cable permitió calentar todo el cartucho a más de 80 °C en menos de 20 minutos.
El cable puede configurarse de diferentes maneras para maximizar la eficiencia de calentamiento en función de la forma del cartucho, es decir, en espiral en el caso de un volumen cilíndrico.
Ejemplo 4: Disposición de acuario para captura de aire y CO2 que incluye temporizador, control de flujo y conectividad a Internet (figuras 6 y 7):
Se preparó un dispositivo que comprende el cartucho del Ejemplo 3. Se permitió que el cartucho entrara en contacto con el aire ambiente en condiciones atmosféricas. Para la circulación del dióxido de carbono liberado, se empleó una pequeña bomba.
El dispositivo opera mediante calentamiento intermitentemente del cartucho adsorbente que se ha expuesto al aire de la habitación donde se colocó el acuario, basándose completamente en la difusión natural del dióxido de carbono. Para mayores aplicaciones, esto también puede comprender un medio para el flujo de aire, tal como un ventilador para acelerar el proceso de adsorción al aumentar la cantidad total de dióxido de carbono a la que se expone el adsorbente en el mismo período.
Después del período de adsorción, la carcasa del cartucho se sella mediante el uso de un mecanismo de sellado que comprende un actuador, después se calienta hasta 80 °C mientras se usa una microbomba para extraer el dióxido de carbono liberado en el acuario a través de un rociador/difusor de cerámica. La bomba se eligió para suministrar la ligera sobrepresión necesaria para garantizar una distribución homogénea del gas por el rociador, es decir, una sobrepresión de entre 0,5 y 2,5 bar para que el gas pase a través.
La bomba funciona a una velocidad continua lenta o a una velocidad más rápida con intermitencias regulares, para evitar fluctuaciones claras en la concentración de CO2 en el agua, para evitar el estrés de los habitantes vivos de los acuarios, es decir, los peces/camarones/caracoles etc.
Alternativamente, un tampón de almacenamiento para el CO2 puede usarse a partir del cual el CO2 se libera gradualmente.
Una ventaja del sistema es que la funcionalidad adicional puede aplicarse fácilmente al dispositivo de suministro de CO2. Por ejemplo, será fácil ajustar con precisión la velocidad de flujo de CO2, ya que puede conectarse directamente a la bomba, es decir, no se requiere un ajuste continuo con un regulador de presión para obtener el conteo correcto de burbujas. En adición, puede integrarse fácilmente un temporizador, sin necesidad de comprar una válvula solenoide adicional adjunta al regulador. Esto es importante porque el CO2 solo se requiere cuando la luz incandescente está disponible para que las plantas realicen la fotosíntesis. Además, el sistema puede estar conectado ventajosamente de forma remota, por ejemplo, a través de Internet, para permitir el monitoreo y el control remotos del suministro de CO2, pH y otros valores, sin necesidad de reemplazar un cilindro de gas.
Finalmente, el sistema evita por completo el peligro de vertederos de "fin de tanque" de CO2 los cuales pueden, de cualquier otra manera, dañar/matar a los habitantes del acuario.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo para la adsorción reversible de dióxido de carbono de una mezcla de gases (30), que comprende:
i) al menos un recipiente adsorbente (13) que comprende una pluralidad de cartuchos permeables a los gases (7) de un material inerte y dimensionalmente estable (7), en donde cada cartucho (3) comprende un adsorbente particular polimérico adecuado (19) para dióxido de carbono que tiene una funcionalidad amina primaria a una capacidad total de al menos 2,0 eq./l, un área superficial (BET) en el intervalo de 25 a 75 m2/g, y un diámetro promedio de poro de 1 a 200 nm, en una configuración suelta, y en el que cada cartucho (3) comprende además una membrana (8) o malla (18) permeable a los gases con un diámetro promedio de poro en el intervalo de 0,01 - 0,25mm, para sujetar el adsorbente (19),
ii) medios para la desorción del dióxido de carbono adsorbido del adsorbente (19) en cada cartucho (3) mediante una variación de presión, humedad y/o temperatura de adsorción en el cartucho (3), y
iii) medios (17) para dirigir el dióxido de carbono desorbido de cada cartucho; y
iv) un medio (21) para calentar eléctricamente el adsorbente saturado a una temperatura de 60 °C a 150 °C.
2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además medios para suministrar la mezcla de gases a los cartuchos; un medio para la recuperación de calor y/o fluidos, y una mezcla de gases desorbida, un medio para medir el nivel de adsorción de dióxido de carbono y/o las velocidades de flujo de gas.
3. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los cartuchos (3) están dispuestos secuencialmente y/o en paralelo de manera que uno o más cartuchos (3) pueden retirarse para el reemplazo y/o mantenimiento de cualquier cartucho sin tener que detener el proceso de adsorción o sin forzar el desmontaje de la unidad de captura (13).
4. Un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el dispositivo que comprende además un tampón de almacenamiento (31) configurado y operable para mantener constante la cantidad de dióxido de carbono liberado en la aplicación final, preferentemente, en donde el tampón de almacenamiento (31) tiene un volumen de almacenamiento equivalente a una cantidad de mezcla de gases enriquecida con dióxido de carbono de acuerdo como se requiere para el uso de CO2 de 0,1 a 2 días para una aplicación en particular.
5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 para el suministro de una corriente de gas enriquecida con dióxido de carbono a un acuario, que comprende además medios para el suministro de la corriente de gas enriquecida con dióxido de carbono a un acuario, para formar al menos en parte dióxido de carbono disuelto.
6. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el tampón de almacenamiento contiene el dióxido de carbono en forma comprimida o en una estructura de almacenamiento sólida que incluye carbón activado y/o un armazón metálico orgánico.
7. Una disposición para la mejora del crecimiento de una planta, la carbonatación de una bebida, el control del pH de un ambiente acuoso y/o la mejora del almacenamiento de bienes perecederos, que comprende: a) un dispositivo (13) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, y que comprende además b) medios, tales como un conducto de gas (17), bomba (25) y/o rociador (23), para distribuir el dióxido de carbono desorbido dirigido desde el cartucho a la planta, bebida, ambiente acuoso o bienes perecederos.
8. Una disposición de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además un invernadero (12) para aumentar el crecimiento de las plantas, un vivero, un acuario o un fotobiorreactor para el crecimiento de microalgas.
9. Una disposición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8 para mejorar el crecimiento de las plantas en un acuario, que comprende medios para distribuir el dióxido de carbono desorbido a los acuarios.
10. Un proceso para separar dióxido de carbono de una mezcla de gases mediante una variación de presión y/o humedad y/o temperatura, proceso de adsorción - desorción en un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, el proceso comprende las etapas de:
(a) poner en contacto la mezcla de gases con el adsorbente a una presión P1, una humedad H1 y una temperatura T1 hasta que se adsorba una cantidad deseada de dióxido de carbono en el adsorbente, y (b) desorber al menos parte del dióxido de carbono adsorbido en la etapa (a), para producir una corriente enriquecida en dióxido de carbono a una presión total P2 y/o una temperatura T2, a cuya temperatura el dióxido de carbono tiene una constante de adsorción más baja con respecto al adsorbente y, por lo tanto, al menos en parte se desorbe,
en donde la etapa (b) incluye calentar el adsorbente en un cartucho con un medio de calentamiento eléctrico a una temperatura de 60 °C a 150 °C, y que comprende además:
(c) dirigir la corriente gaseosa liberada que comprende el dióxido de carbono desorbido a una aplicación deseada.
11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la aplicación deseada incluye un invernadero, una fotoincubadora de (micro) algas, una planta de bebidas, un vivero, un acuario y/o una instalación de almacenamiento.
12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el dióxido de carbono gaseoso liberado se burbujea al menos en parte a través de un medio acuoso.
13. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende alternar las etapas (a) y (b) en un patrón de entre 0,1 minutos y 48 horas, y/o invertir el flujo de la mezcla de gases para la etapa (b) y aumentar la temperatura.
14. Uso de un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 o el dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9 para el suministro de dióxido de carbono a acuarios, o para el suministro de dióxido de carbono para controlar el pH de un medio acuoso.
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