Departamento de Ingeniería Química
http://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/227
2024-03-29T02:30:08ZAdsorción de tolueno en carbón activado. Estudio teórico-experimental preliminar.
http://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/11964
Adsorción de tolueno en carbón activado. Estudio teórico-experimental preliminar.
Vargas Araneda, Ximena Angélica
La emisión de compuestos orgánicos volátiles (COVs) por parte de las industrias constituye una significativa fuente de contaminación ambiental. Esta problemática incide directamente en la salud y comodidad de las comunidades circundantes, dando lugar a diversas afecciones atribuidas a concentraciones superiores a los umbrales permitidos de COVs en el entorno. En respuesta a este desafío, la aplicación de la adsorción en carbón activado (CA) ha emergido como una solución destacada debido a su eficacia, bajo costo y capacidad de reutilización.
Por ello, se realizó un estudio teórico-práctico que abarcó desde un análisis bibliográfico de investigaciones sobre adsorción de COVs, hasta la definición, diseño y aplicación de un procedimiento experimental, a nivel de laboratorio, para desarrollar experimentos de adsorción de manera replicable. La misma consta de una secuencia de pasos que incluyen: (i) acondicionamiento del CA, (ii) preparación de muestras, (iii) medición de datos y (iv) construcción de la isoterma de adsorción de Tolueno (TOL), seleccionado como compuesto modelo, en CA. Se usaron dos técnicas de análisis, a saber, termogravimetría (TG) y cromatografía de gases (CG).
Se confirmó la reproducibilidad del procedimiento experimental seleccionado a través de la realización de 3 pruebas idénticas, las que arrojaron un error cuadrático medio (ECM) de 0,83 (%). Luego, se estudió el comportamiento de la adsorción de TOL en CA a distintas concentraciones, obteniendo la isoterma de adsorción a 22°C, donde la máxima capacidad de adsorción experimental fue de 263 (𝑚𝑔/𝑔), aunque se observó un promedio en 255 (𝑚𝑔/𝑔) como máximo para diferentes concentraciones. Además, se propuso que, por cada microlitro de tolueno, debe haber al menos 7,5 (𝑚𝑔) de CA para asegurar una adsorción sobre el 90%. Finalmente, se ajustaron los datos experimentales a los modelos de Langmuir (LM), Freundlich (FR) y Dubinin-Radushkevich (D-R), obteniendo que el modelo de isoterma D-R fue el que mejor predijo el comportamiento de la adsorción de TOL sobre CA.
Se recomienda repetir las pruebas a menor concentración de tolueno, para otra sustancia odorífera, como acetona; utilizar el método de columna dinámica y aplicar tratamientos de mejora al CA como impregnación de Cu.; The emission of volatile organic compounds (VOCs) by industries constitutes a significant source of environmental pollution. This problem directly affects the health and comfort of the surrounding communities, giving rise to various conditions attributed to concentrations higher than the permitted thresholds of VOCs in the environment. In response to this challenge, the application of adsorption on activated carbon (AC) has emerged as a prominent solution due to its effectiveness, low cost and reusability.
Therefore, a theoretical-practical study was carried out that ranged from a bibliographic analysis of research on VOC adsorption, to the definition, design, and application of an experimental procedure, at the laboratory level, to develop adsorption experiments in a replicable manner. It consists of a sequence of steps that include: (i) AC conditioning, (ii) sample preparation, (iii) data measurement and (iv) construction of the adsorption isotherm of Toluene (TOL), selected as a compound. model, in CA. Two analysis techniques were used, namely thermogravimetry (TG) and gas chromatography (GC).
It was validated that the proposed experimental procedure was reproducible through the performance of 3 identical tests, which yielded an ECM of 0,83 (%). Then, the behavior of the adsorption of TOL in CA-s at different concentrations was studied, obtaining the adsorption isotherm at 22°C, where the maximum experimental adsorption capacity was 263 (𝑚𝑔/𝑔), although stability was observed around 255 (𝑚𝑔/𝑔) maximum for different concentrations. Furthermore, it was proposed that, for every microliter of toluene, there must be at least 7,5 (mg) of CA-s to ensure adsorption of over 90%. Finally, the experimental data were fitted to the Langmuir (LM), Freundlich (FR) and Dubinin-Radushkevich (D-R) models, obtaining that the D-R isotherm model was the one that best predicted the behavior of the adsorption of TOL on CA-s.
For greater clarity in the study, it is recommended to repeat the tests at a lower concentration; with another odoriferous substance, such as acetone; use the dynamic column method and apply improvement treatments to the AC such as Cu impregnation
Tesis para optar al título de Ingeniero/a Civil Químico/a
2024-01-01T00:00:00ZAdsorción de metales pesados en agua usando carbón activado modificado mediante tratamiento ácido
http://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/11961
Adsorción de metales pesados en agua usando carbón activado modificado mediante tratamiento ácido
Torres Fernández, Catalina Sofía
La contaminación de agua con metales pesados representa un gran problema al medio ambiente y a los seres humanos debido a la toxicidad de estas especies. En la zona norte de Chile se presentan altas concentraciones de cobre, cadmio y plomo en ríos que abastecen agua potable. Dentro de las técnicas de remoción de estas especies en agua, la adsorción mediante carbón activado es una de más las efectivas. La adsorción de metales pesados en carbón activado ocurre principalmente en grupos funcionales oxigenados. La introducción de estos grupos en la superficie del carbón activado se realiza mediante tratamientos ácidos.
El objetivo general de este trabajo es evaluar el efecto de la modificación superficial con ácido nítrico de un carbón activado en la adsorción de cobre, cadmio y plomo en agua. Se ensayaron tres métodos distintos de acidificación de la superficie mediante los siguientes equipos: placa calefactora, baño María y rotavapor. Se modificó un carbón activado obtenido de neumáticos fuera de uso, con ácido nítrico 5M por 3 horas a 60°C. Se seleccionó como procedimiento óptimo el uso del rotavapor ya que permite mantener la solución de ácido nítrico y carbón activado en rotación constante y producir una mezcla homogénea. El material original (DMAC) y el modificado (DMAC-HNO3), fueron caracterizados mediante adsorción-desorción de N2 a 77K, punto de carga cero, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y mediante análisis termogravimétrico y espectroscopia de masa (TGA-MS). Para comparar el porcentaje de remoción de ambos adsorbentes se realizaron test de adsorción en solución monocomponente (solo un metal en solución). El DMAC-HNO3 se sometió a ensayos de equilibrio y cinéticos en solución mono y multicomponente. Los datos experimentales fueron ajustados a modelos de isotermas (Langmuir, Freundlich, Temkin y Dubinin-Radushkevich) y a modelos cinéticos (pseudo-primer orden, pseudo-segundo orden, Elovich y difusión intrapartícula).
El DMAC-HNO3 obtuvo un área superficial de 988 m2 g-1, siendo caracterizado como mesoporoso. Se comprobó el aumento de grupos carbonilos y ácidos carboxilos en la superficie del adsorbente luego del tratamiento con ácido nítrico. Por otro lado, se demostró un incremento del porcentaje de remoción de los metales en solución monocomponente empleando el DMAC-HNO3 en comparación a DMAC; Pb(II) aumentó de 94,19% a 99,03%, Cu(II) de 27,90 ± 1,10% a 85,85 ± 0,44% y Cd(II) 5,95 ± 0,03% a 49,97± 3,14%. La isoterma de adsorción en solución monocomponente de los tres iones se ajustó al modelo de Freundlich. En solución multicomponente, el modelo de Freundlich se ajustó satisfactoriamente a los datos experimentales de Cu(II), mientras que, los datos experimentales de Cd(II) y Pb(II) no se ajustaron a ningún modelo. La cinética del Cu(II) en solución monocomponente se ajustó al modelo de pseudo-segundo orden, mientras que Cd(II) y Pb(II) fueron mejor representados por el modelo de Elovich. La cinética en solución multicomponente de los tres iones fue mejor representada por el modelo de Elovich. Esto indica que el mecanismo limitante de la velocidad es la quimisorción de cada metal sobre la superficie del carbón activado. Por otra parte, se obtuvo una disminución de las capacidades
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de adsorción de los tres metales en solución multicomponente. El estudio de la selectividad en solución multicomponente demostró que el material DMAC-HNO3 es selectivo hacia Cu(II), obteniendo el siguiente orden de remoción: Cu(II) > Pb(II) > Cd(II).
A partir de estos resultados se comprueba la efectividad del tratamiento con ácido nítrico en la adsorción de metales pesados, no obstante, se sugiere profundizar en el proceso de adsorción mediante el estudio de variaciones de pH y las condiciones de modificación con ácido nítrico, que permita obtener capacidades de adsorción mayores en solución multicomponente.; Water pollution by heavy metals represents a major problem to the environment and human beings due to the toxicity of these species. Rivers that supply drinking water in Northern Chile show high concentrations of copper, cadmium and lead. Among the methods for removal of heavy metals from water, adsorption onto activated carbon is considered one of the most effective. Heavy metals adsorption onto activated carbon is considered to mainly take place at oxygen containing functional groups. Acid treatment is used to introduce oxygen containing functional groups to the surface of the activated carbon.
The main objective of this work is to investigate the effect of nitric acid surface modification of an activated carbon on the adsorption of copper, cadmium and lead from aqueous solution. Three different surface modification methods were tested using the following equipment: hot plate, water bath and rotary evaporator. An activated carbon based on end-of-life tires was treated with 5M nitric acid for 3 hours at 60°C. The rotary evaporator was selected as the optimal procedure since it can keep the nitric acid and activated carbon solution in constant rotation and produce a homogeneous mixture. The original material (DMAC) and the modified material (DMAC-HNO3) were characterized by N2 adsorption-desorption at 77K, point of zero charge, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and by thermogravimetric analysis and mass spectroscopy (TGA-MS). Adsorption tests were carried out in mono-component solution to compare the removal of both adsorbents. Equilibrium and kinetic tests were performed to evaluate the adsorption capacity of DMAC-HNO3 in mono and multicomponent solution. Experimental data were fitted to Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich isotherm models and pseudo-first order, pseudo-second order, Elovich and intraparticle diffusion kinetic models.
The modified material resulted in a surface area of 988 m2 g-1 and a mesoporous structure. As a result of nitric acid modification, the amount of carbonyl groups and carboxylic acids on the surface of the adsorbent increased. There was an improvement in the percentage removal of metals in mono-component solution on DMAC adsorption compared to DMAC-HNO3 where Pb(II) increased from 94,19% to 99,03%, Cu(II) from 27.90 ± 1,10% to 85,85 ± 0,44% and Cd(II) 5,95 ± 0,03% to 49,97± 3,14%. The adsorption isotherm in mono-component solution of the three metals was best fitted to Freundlich model. The adsorption isotherm in multicomponent solution of Cu(II) was best fitted to Freundlich model, while Cd(II) and Pb(II) did not fit to any model. The kinetics of Cu(II) in monocomponente solution fit the pseudo-second order model, while Cd(II) and Pb(II) were best represented by Elovich model. The kinetics of three ions in multicomponent solution were best represented by Elovich model. This indicates that the rate limiting mechanism is the chemisorption of each metal on the activated carbon surface. On the other hand, adsorption capacities of the three metals decreased in multicomponent solution. The selectivity sequence of heavy metal adsorption in multicomponent solution was in the order Cu(II) > Pb(II) > Cd(II).
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From these results, it was show that modified activated carbon treated with nitric acid effectively removes heavy metals from water, however, it is suggested to further investigate the adsorption process by studying pH variations and modification conditions with nitric acid, to obtain greater adsorption capacities in multicomponent solution.
Tesis para optar al título de Ingeniero/a Civil Química
2024-01-01T00:00:00ZEfecto de promotores K y Sb en la cinética de oxidación de furfural a anhídrido maleico.
http://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/11960
Efecto de promotores K y Sb en la cinética de oxidación de furfural a anhídrido maleico.
Riffo Gallardo, Sebastián Andrés
El desafío actual de detener el cambio climático ha generado la necesidad urgente de reducir el uso de recursos fósiles en la síntesis de intermediarios químicos. El anhídrido maleico, ampliamente utilizado en la química industrial, actualmente se produce a partir de recursos no renovables como el benceno y el n-butano. Sin embargo, se están explorando técnicas que emplean recursos renovables, específicamente el furfural, que puede ser obtenido a partir de biomasa lignocelulósica, para su producción. Catalizadores de vanadio soportado y promovidos con diversos elementos han sido estudiados para la reacción de oxidación selectiva de furfural hacia anhídrido maleico en fase gaseosa.
El objetivo de este trabajo es analizar el efecto de K y/o Sb como promotores en la actividad, selectividad, rendimientos y conversión de catalizadores de V2O5/T iO2 utilizados para la oxidación parcial de furfural a anhídrido maleico, para ello se caracterizaron las propiedades químicas y estructurales de los mismos a través análisis BET, TPR, XRD y SEM-EDS. Se comparó la influencia de K y/o Sb en el desempeño catalítico de los catalizadores de V2O5/T iO2 y se sugirieron las posibles razones fisicoquímicas detrás su comportamiento. Se sintetizaron catalizadores de V2O5/T iO2 con cargas másicas de 0,1 y 0,4% de K y Sb y un catalizador con 0,28 y 0,86% de K y Sb respectivamente. Se realizaron pruebas cinéticas en un rector de lecho fijo, variando la temperatura, a flujo volumétrico de 60 ml/min y razón de O2/Fur = 20 constantes.
Mediante caracterizaciones, se determinó que la estructura de los catalizadores se ve principalmente influenciada por el soporte, las cargas másicas fueron las esperadas y la distribución de los promotores fue la óptima. Se observó que los promotores afectan las propiedades redox de los catalizadores: Sb aumenta el consumo de H2 mientras que K lo disminuye. La adición de Sb benefició a la reacción, siendo el catalizador con 0,4% en Sb el que exhibió el mejor comportamiento, con una selectividad hacia anhídrido maleico del 49 %. Los catalizadores con peor desempeño fueron los catalizadores con 0,4% en potasio y el catalizador con ambos promotores, mostrando selectividades nulas hacia anhídrido maleico.
Se concluyó que Sb posee efectos promotores para la reacción de oxidación parcial del furfural hacia anhídrido maleico, debido a su rol como donador de oxígeno, aislamiento de sitios, formación de especies selectivas hacia AM y disminución en la acidez de la superficie. Mientras que K induce efectos adversos, favoreciendo productos de combustión gracias a la formación de sitios inactivos. Adicionalmente, se recomendaron caracterizaciones adicionales para determinar con mayor exactitud los efectos químicos de la adición de promotores a catalizadores de V2O5/T iO2.; Stoping climate change is one of the challeges we face today, such challenge has generated the urgent need to reduce the use of fossil fuels in the synthesis of chemical intermediates. Maleic anhydride, a widely used compound in the chemical industry, is nowadays produced from benzene and n-butane, both non-renewable resources. Nevertheless, there has been investigation into certain techniques that utilize renewable resources, such as furfural for its production. Supported vanadium catalysts promoted with certain elements have been studied for the gasphase partial oxidation of furfural to maleic anhidride.
In this study, the objective was to analyze the effects on activity, selectivity, yields, and conversion in V2O5/T iO2 catalysts with K and/or Sb as promoters used in the gas-phase partial oxidation of furfural to maleic anhydride. Chemical and structural properties were characterized using BET, TPR, XRD, and SEM−EDS. The influence of K and/or Sb on the catalytic performance of V2O5/T iO2 catalysts was compared, and possible physicochemical reasons behind the behavior of catalysts promoted with K and/or Sb at mass loadings of 0.1-0.86% were suggested.
V2O5/T iO2 catalysts with 0.1 and 0.4 wt% of K or Sb were prepared, as well as a sample containing 0.28 and 0.85 wt% of K and Sb, respectively. Kinetic evaluations were carried out using a fixed-bed reactor at various temperatures, maintaining a constant volumetric flow of 60 ml/min and an O2/fur ratio of 20. Through characterizations, it was determined that the catalyst structure was mainly influenced by the support. The loadings turned out as expected, and the distribution of promoters was even. It was observed that promoters affect the redox properties of the samples: Sb increases H2 consumption while K decreases it. Sb addition was beneficial to the reaction. Specifically, catalysts with 0.4wt% Sb exhibited the best catalytic performance, achieving selectivities of 48.84% for maleic anhydride, whereas catalysts with 0.4wt% K and the one containing both Sb and K showed the least catalytic activity, with selectivity values equal to zero for maleic anhidride.
It was concluded that Sb has a promoting effect on the gas-phase partial oxidation of furfural to maleic anhydride due to its diverse effects on active species, while K showed counterproductive effects, favoring combustion products due to the formation of inactive sites. Additional characterizations were proposed to precisely determine the chemical effects of promoter addition on V2O5/T iO2 catalysts.
Memoria de Título para optar al título profesional de Ingeniero/a Civil Químico
2024-01-01T00:00:00ZEstudio del efecto de la adición de Sn y Zn a catalizadores de Cu para síntesis de metanol.
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Estudio del efecto de la adición de Sn y Zn a catalizadores de Cu para síntesis de metanol.
Reinoso Venegas, Franco
La hidrogenación de CO2 hacia metanol es una alternativa prometedora para la reutilización de este gas de efecto invernadero como materia prima en el proceso de síntesis. Sin embargo, el catalizador utilizado en la actualidad, Cu/ZnO/Al2O3, no es lo suficientemente selectivo hacia metanol debido a la ocurrencia de la reacción Reverse Water Gas Shift, la cual disminuye la selectividad. Debido a la importancia de este compuesto en la industria química, es necesario explorar nuevos materiales para sintetizar catalizadores que sean activos y selectivos hacia la formación de metanol mediante la hidrogenación de CO2.
En este estudió se evaluó el efecto de la adición de bajas cantidades de promotores, específicamente de Zn y/o Sn, al catalizador Cu/SiO2, manteniendo constante el contenido de cobre en un 10%wt. De esta forma, las fracciones molares Zn(y/o Sn)/(Zn(y/o Sn)+Cu) utilizadas para estudiar el efecto del bajo contenido de promotores y compararlo con el alto contenido fueron de 0,01 y 0,2 respectivamente. Las pruebas cinéticas se llevaron a cabo en un reactor de laboratorio, operando a 8 bar y a cuatro temperaturas distintas (280 °C, 260°C, 240 °C, 220°C). Cada muestra se caracterizó mediante análisis H2-TPR y por XRD. Se encontró que el Zn disminuye la temperatura de reducción del cobre, y que además no se detecta la fase cristalina del ZnO. En los catalizadores que contenían Sn, se encontró que el cobre adsorbió mucho menos H2, además de la formación de la aleación Cu20Sn6.
En las pruebas cinéticas se encontró que el Zn promueve la síntesis de metanol. Por el contrario, los catalizadores que contienen Sn no fueron activos hacia metanol. Catalizadores con bajo contenido de Zn alcanzaron un 10% más de conversión de CO2 que el catalizador con mayor contenido de Zn, sin embargo, la selectividad hacia metanol se ve claramente beneficiada con el aumento de la carga de Zn. En cuanto a los catalizadores con Sn, se sugiere que la no producción de metanol se debe, por un lado, a la formación de una aleación con el cobre y/o, al cloro presente en el precursor de Sn que posiblemente contamina los sitios activos.; The hydrogenation of CO2 to methanol is a promising alternative for the reuse of this greenhouse gas as feedstock in the synthesis process. However, the currently used Cu/ZnO/Al2O3 catalyst is not selective enough towards methanol due to the occurrence of the Reverse Water Gas Shift Reaction, which decreases the selectivity. Given the importance of this compound in the chemical industry, it is necessary to explore new materials to synthesize catalysts that are active and selective towards methanol formation through CO2 hydrogenation.
With that said, the effect of adding low amounts of promoters was studied, specifically the addition of Zn and/or Sn to the Cu/SiO2 catalyst, where the copper content was kept constant at 10%wt and only the Zn and Sn content were modified. Thus, the molar fractions Zn(and/or Sn)/(Zn(and/or Sn)+Cu) used to study the effect of the low promoter content and compare it with the higher content were 0.01 and 0.2, respectively. Kinetic tests were carried out in a laboratory reactor, operating at 8 bar and at four different temperatures (280 °C,260°C, 240 °C, 220°C). Each sample was characterized by H2-TPR and XRD analysis. Zn was found to decrease the copper reduction temperature and no detectable crystalline phases were formed. For the Sn-containing catalysts, it was found that copper adsorbed much less H2, in addition to the formation of the Cu20Sn6 alloy.
In kinetic tests, Zn was found to promote methanol synthesis, whereas Sn-containing catalysts were not active towards methanol. Catalysts with low Zn content achieved 10% higher conversion than the catalyst with higher Zn content, however, the selectivity towards methanol is clearly benefited with Zn loading. As for the Sn catalysts, it is suggested that the lack of methanol production is due to the formation of an alloy with copper or due to the chlorine present in the Sn precursor, which is possibly contaminating the active sites.
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2024-01-01T00:00:00Z