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Título : Fabricación de materiales basados en silicatos de litio (Li4SiO4 y Li2SiO3) para captura de CO2
Autor : Dr. Pfeiffer Perea, Heriberto
Dr. Gómez Yáñez, Carlos
M. en C. Ortiz Landeros, José
Palabras clave : silicatos de litio
Fabricación
Li4SiO4
Li2SiO3
CO2
Fecha de publicación : 15-abr-2011
Resumen : Nowadays there is an intense research focused to the development of new technologies for carbon dioxide (CO2) emissions control. The study of both solid sorbents and ceramic membranes are good examples of the above mentioned. The present work shows a systematic study on the fabrication and CO2 absorption properties of a series of lithium silicates including Li4SiO4, Li2SiO3 and the solid solutions with general formula Li4+x(Si1-xAlx)O4 and Li4-x(Si1-xVx)O4. In order to obtain structural and microstructural characteristics that promote the performance of solid sorbents on the CO2 capture process, the different materials were prepared by several synthesis methods including the conventional solid state reaction, as well as hydrothermal crystallization and high energy milling. In addition, the effect of water vapor presence during the absorption reaction was studied. The structural and microstructural characterizations of different materials were carried out by X-ray diffraction, Nuclear Magnetic Resonance, Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy, Infrared Spectroscopy (FTIR) and N2 Sorption measurements. Besides, CO2 sorption properties of the different materials were determined by thermogravimetric analysis. Diffraction analyses revealed the successful crystallization of pure Li2SiO3 single phase by hydrothermal technique, even without further heat-treatments. Electron microscopy analyses revealed that Li2SiO3 powders were composed of uniform micrometric particles with a hollow sphere morphology and nanostructured walls which enhance the chemical reactivity of absorbent. CO2 absorption evaluation revealed that both textural properties and water vapor presence promotes the capability of Li4SiO4 and Li2SiO3 to absorb CO2. In fact it was founded that as higher is the reactivity of the absorbent with water, as higher is its reactivity with CO2 in presence of water. The above was attributed to the formation of intermediate species like MeOH which are more prone to react with CO2 than the adsorbent itself, giving as a result a general increase of the kinetic of capture. Finally, diffraction analyses revealed the successful formation of solid solutions Li4+x(Si1-xAlx)O4 and Li4-x(Si1-xVx)O4 by both solid state reaction and high energy milling, in the last case even without further heat-treatments. Thermal analyses into a CO2 flux showed that Li4+x(Si1-xAlx)O4 solid solutions present a much better CO2 absorption than that observed for Li4-x(Si1-xVx)O4 solid solutions as well as for pure Li4SiO4. Isothermal analyses were performed to the samples in order to obtain additional kinetic information; base on the above a physical model to describe the behavior of absorbent particles during CO2 capture process is proposed.
Descripción : Actualmente se realiza una gran cantidad de estudios enfocados al desarrollo de nuevas tecnologías para mitigar la emisión de bióxido de carbono a la atmósfera. El uso de membranas de separación y absorbentes cerámicos son dos ejemplos de lo anterior. En el presente trabajo se muestra un estudio detallado acerca de la fabricación y evaluación de la velocidad y eficiencia de absorción de CO2 de los silicatos de litio Li4SiO4, Li2SiO3 y las soluciones sólidas con fórmula general Li4+x(Si1-xAlx)O4 y Li4-x(Si1-xVx)O4. Con el fin de obtener características estructurales y microestructurales que favorezcan su desempeño como absorbentes en el proceso de captura de CO2, los materiales fueron preparados por diferentes métodos de síntesis como reacción de estado sólido, cristalización hidrotérmica y molienda reactiva. Aunado a lo anterior, se estudió el efecto de la presencia de vapor de agua en el flujo gaseoso para las pruebas de absorción, estableciendo su impacto en la cinética del proceso. La caracterización de los absorbentes se realizó por diferentes técnicas incluyendo difracción de rayos X, Resonancia Magnética Nuclear, Microscopía Electrónica de Barrido y de Transmisión, Espectroscopia de Infrarrojo y caracterización por Absorción de Nitrógeno. La velocidad y eficiencia de absorción de CO2 se evaluó mediante la técnica de Análisis Termogravimétrico. Se lograron establecer las condiciones de síntesis para la obtención a baja temperatura de la fase pura de Li2SiO3 vía cristalización hidrotérmica. Los polvos presentan morfologías de esferas huecas nanoestructuradas y características texturales que promueven la reactividad del material. Al realizar las pruebas de absorción de CO2 en Li2SiO3 y Li4SiO4 se observó que tanto las características texturales del material como la presencia de vapor de agua en el flujo gaseoso favorecen la reacción de absorción debido a la formación de especies intermedias (Me-OH), las cuales reaccionan con mayor facilidad con el CO2. De igual manera se establecieron las condiciones de síntesis para la obtención de las soluciones sólidas Li4+x(Si1-xAlx)O4 y Li4-x(Si1-xVx)O4 por reacción de estado sólido y molienda reactiva. Se discute el efecto de la incorporación de los metales Al y V en la estructura del Li4SiO4. Mediante el cálculo de las constantes de velocidad de la reacción se observó que mientras la incorporación de Al incrementa la cinética de la reacción, la incorporación de vanadio la disminuye. En base a los resultados obtenidos se propone un modelo físico que describe el comportamiento de las partículas del absorbente durante la reacción con el CO2.
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/13778
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