Quema de trozos de madera, mostrando varias etapas de pirólisis seguidas de combustión oxidativa.
La pirólisis es el proceso de descomposición térmica de materiales a temperaturas elevadas, a menudo en una atmósfera inerte [1] sin acceso al oxígeno.
Etimología
La palabra pirólisis proviene de los elementos derivados del griego pyro- (del griego antiguo πῦρ: pûr - "fuego, calor, fiebre") y lisis (λύσις: lúsis - "separación, aflojamiento").
Aplicaciones
La pirólisis se utiliza con mayor frecuencia en el tratamiento de materiales orgánicos . Es uno de los procesos implicados en la carbonización de la madera [2] o la pirólisis de la biomasa. En general, la pirólisis de sustancias orgánicas produce productos volátiles y deja carbón , un residuo sólido rico en carbono. La pirólisis extrema, que deja principalmente carbono como residuo, se denomina carbonización . La pirólisis se considera uno de los pasos de los procesos de gasificación o combustión. [3] [4] La gente común suele confundir el gas de pirólisis con el gas de síntesis. El gas de pirólisis tiene un alto porcentaje de fracciones pesadas de alquitrán, que se condensan a temperaturas relativamente altas, lo que impide su uso directo en quemadores de gas y motores de combustión interna, a diferencia del gas de síntesis.
El proceso se utiliza ampliamente en la industria química , por ejemplo, para producir etileno , muchas formas de carbono y otros productos químicos a partir de petróleo, carbón e incluso madera, o para producir coque a partir de carbón . También se utiliza en la conversión de gas natural (principalmente metano ) en gas hidrógeno y carbón sólido , introducido recientemente a escala industrial. [5] Las aplicaciones aspiracionales de la pirólisis convertirían la biomasa en gas de síntesis y biocarbón , los desechos plásticos en petróleo utilizable o los desechos en sustancias desechables de forma segura.
Terminología
La pirólisis es uno de los diversos tipos de procesos de degradación química que ocurren a temperaturas más altas (por encima del punto de ebullición del agua u otros solventes). Se diferencia de otros procesos como la combustión y la hidrólisis en que generalmente no implica la adición de otros reactivos como oxígeno (O 2 , en la combustión) o agua (en la hidrólisis). [6] La pirólisis produce sólidos ( carbón ), líquidos condensables (aceites ligeros y pesados y alquitrán ) y gases no condensables. [7] [8] [9] [10]
La pirólisis es diferente de la gasificación . En la industria de procesos químicos, la pirólisis se refiere a una degradación térmica parcial de materiales carbonosos que tiene lugar en una atmósfera inerte (libre de oxígeno) y produce gases, líquidos y sólidos. La pirólisis se puede extender a la gasificación completa que produce principalmente un resultado gaseoso, [11] a menudo con la adición de, por ejemplo, vapor de agua para gasificar los sólidos carbónicos residuales, consulte Reformado con vapor .
Tipos
Los tipos específicos de pirólisis incluyen:
Carbonización , la pirólisis completa de materia orgánica, que generalmente deja un residuo sólido que consiste principalmente en carbono elemental .
Pirólisis de metano, la conversión directa de metano en combustible de hidrógeno y carbono sólido separable , a veces utilizando catalizadores de metal fundido.
Otros tipos de pirólisis provienen de una clasificación diferente que se centra en las condiciones de operación de la pirólisis y el sistema de calentamiento utilizado, que tienen un impacto en el rendimiento de los productos de pirólisis.
Historia
Carbón de roble
La pirólisis se ha utilizado para convertir la madera en carbón desde la antigüedad. Los antiguos egipcios utilizaban la fracción líquida obtenida de la pirólisis de la madera de cedro en su proceso de embalsamamiento . [15]
Procesos en la degradación térmica de la materia orgánica a presión atmosférica.
La pirólisis consiste generalmente en calentar el material por encima de su temperatura de descomposición , rompiendo los enlaces químicos de sus moléculas. Los fragmentos suelen convertirse en moléculas más pequeñas, pero pueden combinarse para producir residuos con mayor masa molecular, incluso sólidos covalentes amorfos . [ cita requerida ]
En muchos entornos, puede haber cierta cantidad de oxígeno, agua u otras sustancias, de modo que pueden producirse combustión, hidrólisis u otros procesos químicos además de la pirólisis propiamente dicha. A veces, esos productos químicos se añaden de forma intencionada, como en la quema de leña , en la fabricación tradicional de carbón vegetal y en el craqueo a vapor del petróleo crudo. [ cita requerida ]
Por el contrario, el material de partida puede calentarse al vacío o en una atmósfera inerte para evitar reacciones químicas secundarias (como la combustión o la hidrólisis). La pirólisis al vacío también reduce el punto de ebullición de los subproductos, lo que mejora su recuperación.
Cuando la materia orgánica se calienta a temperaturas crecientes en recipientes abiertos, generalmente ocurren los siguientes procesos, en etapas sucesivas o superpuestas: [ cita requerida ]
Por debajo de los 100 °C, las sustancias volátiles, incluida algo de agua, se evaporan . Las sustancias sensibles al calor, como la vitamina C y las proteínas , pueden modificarse parcialmente o descomponerse ya en esta etapa.
A unos 100 °C o un poco más, el agua restante que simplemente se absorbe en el material se elimina. Este proceso consume mucha energía , por lo que la temperatura puede dejar de aumentar hasta que se haya evaporado toda el agua. El agua atrapada en la estructura cristalina de los hidratos puede desprenderse a temperaturas algo más altas.
Algunas sustancias sólidas, como grasas , ceras y azúcares , pueden derretirse y separarse.
Entre 100 y 500 °C, muchas moléculas orgánicas comunes se descomponen. La mayoría de los azúcares comienzan a descomponerse a 160–180 °C. La celulosa , un componente principal de la madera, el papel y las telas de algodón , se descompone a unos 350 °C. [3] La lignina , otro componente importante de la madera, comienza a descomponerse a unos 350 °C, pero continúa liberando productos volátiles hasta los 500 °C. [3] Los productos de descomposición suelen incluir agua, monóxido de carbono CO y/o dióxido de carbono CO 2 , así como una gran cantidad de compuestos orgánicos. [4] [17] Los gases y productos volátiles abandonan la muestra, y algunos de ellos pueden volver a condensarse en forma de humo. Generalmente, este proceso también absorbe energía. Algunos volátiles pueden encenderse y arder, creando una llama visible . Los residuos no volátiles normalmente se vuelven más ricos en carbono y forman grandes moléculas desordenadas, con colores que varían entre el marrón y el negro. En este punto se dice que la materia quedó " carbonizada " o "carbonizada".
Debido a que la pirólisis se lleva a cabo a altas temperaturas que exceden la temperatura de autoignición de los gases producidos, existe un riesgo de explosión si hay oxígeno presente. Para controlar la temperatura de los sistemas de pirólisis, se necesita un control cuidadoso de la temperatura y se puede lograr con un controlador de pirólisis de código abierto . [18] La pirólisis también produce varios gases tóxicos, principalmente monóxido de carbono . El mayor riesgo de incendio, explosión y liberación de gases tóxicos se produce cuando el sistema se enciende y se apaga, funciona de manera intermitente o durante fallas operativas. [19]
La purga con gas inerte es esencial para controlar los riesgos inherentes de explosión. El procedimiento no es trivial y la falta de protección contra el oxígeno ha provocado accidentes. [20]
Aparición y usos
Cocinando
La pirólisis tiene muchas aplicaciones en la preparación de alimentos. [21] La caramelización es la pirólisis de los azúcares en los alimentos (a menudo después de que los azúcares se hayan producido por la descomposición de los polisacáridos ). La comida se vuelve marrón y cambia de sabor. Los sabores distintivos se utilizan en muchos platos; por ejemplo, la cebolla caramelizada se utiliza en la sopa de cebolla francesa . [22] [23] Las temperaturas necesarias para la caramelización se encuentran por encima del punto de ebullición del agua. [22] El aceite para freír puede elevarse fácilmente por encima del punto de ebullición. Poner una tapa en la sartén mantiene el agua dentro, y parte de ella se vuelve a condensar, manteniendo la temperatura demasiado fría para dorarse durante más tiempo.
La pirólisis de los alimentos también puede ser indeseable, como en el caso de la carbonización de alimentos quemados (a temperaturas demasiado bajas para que la combustión oxidativa del carbono produzca llamas y queme los alimentos hasta convertirlos en cenizas ).
Coque, carbón, carbones y carbones
Briquetas de carbón , a menudo hechas de aserrín comprimido o similar, en uso.
El carbono y los materiales ricos en carbono tienen propiedades deseables, pero no son volátiles, incluso a altas temperaturas. Por lo tanto, la pirólisis se utiliza para producir muchos tipos de carbono; estos pueden usarse como combustible, reactivos en la fabricación de acero (coque) y como materiales estructurales.
El carbón vegetal es un combustible que produce menos humo que la madera pirolizada. [24] Algunas ciudades prohíben, o solían prohibir, los fuegos de leña; cuando los residentes solo usan carbón vegetal (y carbón de roca tratado de manera similar, llamado coque ) la contaminación del aire se reduce significativamente. En las ciudades donde la gente no suele cocinar ni calentarse con fuego, esto no es necesario. A mediados del siglo XX, la legislación "sin humo" en Europa exigía técnicas de combustión más limpia, como el combustible de coque [25] y los incineradores que queman humo [26] como una medida eficaz para reducir la contaminación del aire [25].
Una fragua de herrero, con un soplador que hace pasar aire a través de un lecho de combustible para elevar la temperatura del fuego. En la periferia, el carbón se piroliza, absorbiendo calor; el coque del centro es casi carbono puro y libera mucho calor cuando el carbono se oxida.Productos orgánicos típicos obtenidos por pirólisis de carbón (X = CH, N).
El proceso de fabricación de coque o "coquización" consiste en calentar el material en "hornos de coquización" a temperaturas muy altas (hasta 900 °C o 1.700 °F) para que las moléculas se descompongan en sustancias volátiles más ligeras, que salen del recipiente, y un residuo poroso pero duro que es principalmente carbono y ceniza inorgánica. La cantidad de volátiles varía según el material de origen, pero normalmente es del 25 al 30 % del mismo en peso. La pirólisis a alta temperatura se utiliza a escala industrial para convertir el carbón en coque . Esto es útil en metalurgia , donde las temperaturas más altas son necesarias para muchos procesos, como la fabricación de acero . Los subproductos volátiles de este proceso también suelen ser útiles, incluidos el benceno y la piridina . [27] El coque también se puede producir a partir del residuo sólido que queda del refinado del petróleo.
La estructura vascular original de la madera y los poros creados por los gases que escapan se combinan para producir un material ligero y poroso. Al comenzar con un material denso similar a la madera, como cáscaras de nueces o huesos de melocotón , se obtiene una forma de carbón con poros particularmente finos (y, por lo tanto, una superficie porosa mucho mayor), llamado carbón activado , que se utiliza como adsorbente para una amplia gama de sustancias químicas.
El biocarbón es el residuo de la pirólisis orgánica incompleta, por ejemplo, de los fuegos para cocinar. Es un componente clave de los suelos de terra preta asociados con las antiguas comunidades indígenas de la cuenca del Amazonas . [28] La terra preta es muy buscada por los agricultores locales por su fertilidad superior y su capacidad para promover y retener un conjunto mejorado de microbiota beneficiosa, en comparación con el suelo rojo típico de la región. Se están realizando esfuerzos para recrear estos suelos a través del biocarbón , el residuo sólido de la pirólisis de varios materiales, principalmente desechos orgánicos.
Fibras de carbono producidas mediante la pirólisis de un capullo de seda. Micrografía electrónica; la barra de escala en la parte inferior izquierda muestra 100 μm .
Las fibras de carbono son filamentos de carbono que se pueden utilizar para fabricar hilos y textiles muy resistentes. Los artículos de fibra de carbono se producen a menudo hilando y tejiendo el artículo deseado a partir de fibras de un polímero adecuado y luego pirolizando el material a alta temperatura (de 1500 a 3000 °C o 2730 a 5430 °F). Las primeras fibras de carbono se fabricaron a partir de rayón , pero el poliacrilonitrilo se ha convertido en el material de partida más común. Para sus primeras lámparas eléctricas funcionales , Joseph Wilson Swan y Thomas Edison utilizaron filamentos de carbono fabricados mediante pirólisis de hilos de algodón y astillas de bambú , respectivamente.
La pirólisis es la reacción que se utiliza para recubrir un sustrato preformado con una capa de carbono pirolítico . Esto se realiza normalmente en un reactor de lecho fluidizado calentado a 1000–2000 °C o 1830–3630 °F. Los recubrimientos de carbono pirolítico se utilizan en muchas aplicaciones, incluidas las válvulas cardíacas artificiales . [29]
Biocombustibles líquidos y gaseosos
La pirólisis es la base de varios métodos para producir combustible a partir de biomasa , es decir, biomasa lignocelulósica . [30] Los cultivos estudiados como materia prima de biomasa para la pirólisis incluyen pastos de pradera nativos de América del Norte, como el pasto varilla , y versiones mejoradas de otros pastos, como Miscantheus giganteus . Otras fuentes de materia orgánica como materia prima para la pirólisis incluyen desechos verdes, aserrín, desechos de madera, hojas, vegetales, cáscaras de nueces, paja, desechos de algodón, cáscaras de arroz y cáscaras de naranja. [3] Los desechos animales, incluidos los excrementos de aves de corral, el estiércol de vacas lecheras y, potencialmente, otros estiércoles, también están bajo evaluación. Algunos subproductos industriales también son materia prima adecuada, incluidos lodos de papel, granos de destilería, [31] y lodos de depuradora. [32]
En los componentes de la biomasa, la pirólisis de la hemicelulosa ocurre entre 210 y 310 °C. [3] La pirólisis de la celulosa comienza entre 300 y 315 °C y finaliza entre 360 y 380 °C, con un pico entre 342 y 354 °C. [3] La lignina comienza a descomponerse alrededor de los 200 °C y continúa hasta los 1000 °C. [33]
El combustible diésel sintético obtenido por pirólisis de materiales orgánicos aún no es económicamente competitivo. [34] A veces se logra una mayor eficiencia mediante la pirólisis instantánea , en la que la materia prima finamente dividida se calienta rápidamente a entre 350 y 500 °C (660 y 930 °F) durante menos de dos segundos.
La baja calidad de los aceites producidos mediante pirólisis se puede mejorar mediante procesos físicos y químicos, [35] que podrían aumentar los costos de producción, pero pueden tener sentido económicamente a medida que cambian las circunstancias.
Ilustración de las entradas y salidas de la pirólisis de metano, un proceso eficiente de un solo paso para producir hidrógeno y no producir gases de efecto invernadero.
La pirólisis de metano [38] es un proceso industrial para la producción de hidrógeno "turquesa" a partir de metano mediante la eliminación del carbono sólido del gas natural . [39] Este proceso de un solo paso produce hidrógeno en gran volumen a bajo costo (menos que el reformado con vapor con secuestro de carbono ). [40] No se liberan gases de efecto invernadero. No se necesita inyección de dióxido de carbono en pozos profundos. Solo se libera agua cuando el hidrógeno se usa como combustible para el transporte de camiones pesados eléctricos con celdas de combustible , [41] [42] [43] [44] [45] generación de energía eléctrica con turbinas de gas, [46] [47] e hidrógeno para procesos industriales que incluyen la producción de fertilizantes de amoníaco y cemento. [48] [49] La pirólisis de metano es el proceso que opera alrededor de 1065 °C para producir hidrógeno a partir de gas natural que permite la eliminación de carbono fácilmente (el carbono sólido es un subproducto del proceso). [50] [51] El carbono sólido de calidad industrial se puede vender o enviar a un vertedero y no se libera a la atmósfera, lo que evita la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) o la contaminación de las aguas subterráneas de un vertedero. En 2015, una empresa llamada Monolith Materials construyó una planta piloto en Redwood City, California, para estudiar la ampliación de la pirólisis de metano utilizando energía renovable en el proceso. [52] Un proyecto piloto exitoso condujo luego a una planta de demostración a escala comercial más grande en Hallam, Nebraska en 2016. [53] A partir de 2020, esta planta está operativa y puede producir alrededor de 14 toneladas métricas de hidrógeno por día. En 2021, el Departamento de Energía de EE. UU. respaldó los planes de Monolith Materials para una gran expansión con una garantía de préstamo de $ 1 mil millones. [54] La financiación ayudará a producir una planta capaz de generar 164 toneladas métricas de hidrógeno por día para 2024. Se están llevando a cabo pilotos con servicios de gas y plantas de biogás con empresas como Modern Hydrogen. [55] [56] La producción en volumen también se está evaluando en la planta piloto de "pirólisis de metano a escala" de BASF, [5] el equipo de ingeniería química de la Universidad de California - Santa Bárbara [57] y en laboratorios de investigación como el Laboratorio de metales líquidos de Karlsruhe (KALLA). [58] La energía para el calor de proceso consumido es solo una séptima parte de la energía consumida en el método de electrólisis del agua para producir hidrógeno. [59]
La empresa australiana Hazer Group se fundó en 2010 para comercializar tecnología desarrollada originalmente en la Universidad de Australia Occidental. La empresa cotizó en la ASX en diciembre de 2015. Está completando un proyecto de demostración comercial para producir hidrógeno renovable y grafito a partir de aguas residuales y mineral de hierro como tecnología de uso de catalizador de proceso creada por la Universidad de Australia Occidental (UWA). El proyecto de la Planta de Demostración Comercial es el primero en Australia y se espera que produzca alrededor de 100 toneladas de hidrógeno de grado combustible y 380 toneladas de grafito cada año a partir de 2023. [60] Estaba previsto que comenzara en 2022. "10 de diciembre de 2021: Hazer Group (ASX: HZR) lamenta informar que se ha producido un retraso en la finalización de la fabricación del reactor para el Proyecto de Demostración Comercial (CDP) de Hazer. Se espera que esto retrase la puesta en servicio planificada del CDP de Hazer, y ahora se espera que la puesta en servicio se produzca después de nuestra fecha objetivo actual del primer trimestre de 2022". [61] El Grupo Hazer tiene acuerdos de colaboración con Engie para una instalación en Francia en mayo de 2023, [62] un memorando de entendimiento con Chubu Electric & Chiyoda en Japón en abril de 2023 [63] y un acuerdo con Suncor Energy y FortisBC para desarrollar una planta de producción de hidrógeno Burrard-Hazer de 2500 toneladas por año en Canadá en abril de 2022 [64] [65]
La tecnología de la empresa estadounidense C-Zero convierte el gas natural en hidrógeno y carbono sólido. El hidrógeno proporciona energía limpia y de bajo coste a demanda, mientras que el carbono puede secuestrarse de forma permanente. [66] C-Zero anunció en junio de 2022 que había cerrado una ronda de financiación de 34 millones de dólares liderada por SK Gas, una filial del segundo conglomerado más grande de Corea del Sur, el Grupo SK. A SK Gas se unieron otros dos nuevos inversores, Engie New Ventures y Trafigura, una de las mayores empresas de comercio de materias primas físicas del mundo, además de la participación de inversores existentes, entre ellos Breakthrough Energy Ventures, Eni Next, Mitsubishi Heavy Industries y AP Ventures. La financiación se destinó a la primera planta piloto de C-Zero, que se esperaba que estuviera en funcionamiento en el primer trimestre de 2023. La planta podría ser capaz de producir hasta 400 kg de hidrógeno al día a partir de gas natural sin emisiones de CO2. [67]
Una de las empresas químicas más grandes del mundo, BASF , ha estado investigando la pirólisis de hidrógeno durante más de 10 años. [68]
Etileno
La pirólisis se utiliza para producir etileno , el compuesto químico producido a mayor escala industrialmente (>110 millones de toneladas/año en 2005). En este proceso, los hidrocarburos del petróleo se calientan a unos 600 °C (1.112 °F) en presencia de vapor; esto se llama craqueo a vapor . El etileno resultante se utiliza para fabricar anticongelante ( etilenglicol ), PVC (a través del cloruro de vinilo ) y muchos otros polímeros, como el polietileno y el poliestireno. [69]
El proceso de epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOCVD) implica la pirólisis de compuestos organometálicos volátiles para producir semiconductores, recubrimientos duros y otros materiales aplicables. Las reacciones implican la degradación térmica de los precursores, con la deposición del componente inorgánico y la liberación de los hidrocarburos como desechos gaseosos. Dado que se trata de una deposición átomo por átomo, estos átomos se organizan en cristales para formar el semiconductor en masa. El silicio policristalino en bruto se produce mediante la deposición química en fase de vapor de gases de silano:
La pirólisis también se puede utilizar para tratar residuos sólidos urbanos y residuos plásticos . [4] [17] [70] La principal ventaja es la reducción del volumen de los residuos. En principio, la pirólisis regenerará los monómeros (precursores) de los polímeros que se tratan, pero en la práctica el proceso no es una fuente limpia ni económicamente competitiva de monómeros. [71] [72] [73]
En el ámbito de la gestión de residuos de neumáticos, la pirólisis de neumáticos es una tecnología bien desarrollada. [74]
Otros productos derivados de la pirólisis de neumáticos de automóviles incluyen cables de acero, negro de carbón y betún. [75] El área enfrenta obstáculos legislativos, económicos y de comercialización. [76] El petróleo derivado de la pirólisis del caucho de los neumáticos tiene un alto contenido de azufre, lo que le confiere un alto potencial como contaminante; en consecuencia, debe desulfurarse. [77] [78]
La pirólisis alcalina de lodos de depuradora a una temperatura baja de 500 °C puede mejorar la producción de H2 con captura de carbono in situ. El uso de NaOH (hidróxido de sodio) tiene el potencial de producir gas rico en H2 que puede utilizarse directamente para pilas de combustible. [32] [79]
A principios de noviembre de 2021, el estado de Georgia (EE. UU.) anunció un esfuerzo conjunto con Igneo Technologies para construir una gran planta de reciclaje de productos electrónicos de 85 millones de dólares en el puerto de Savannah . El proyecto se centrará en dispositivos de menor valor y con un alto contenido de plástico en el flujo de desechos utilizando múltiples trituradoras y hornos que utilicen tecnología de pirólisis. [80]
Pirólisis en un solo paso y pirólisis en dos pasos para residuos de tabaco
La pirólisis también se ha utilizado para intentar mitigar los residuos de tabaco. Se realizó un método en el que los residuos de tabaco se separaron en dos categorías TLW (residuos de hojas de tabaco) y TSW (residuos de tabaco en barra). Se determinó que TLW era cualquier residuo de cigarrillos y TSW se determinó que era cualquier residuo de cigarrillos electrónicos. Tanto TLW como TSW se secaron a 80 °C durante 24 horas y se almacenaron en un desecador. [81] Las muestras se molieron para que el contenido fuera uniforme. Los residuos de tabaco (TW) también contienen contenidos inorgánicos (metal), que se determinaron utilizando un espectrómetro de plasma-óptico acoplado inductivamente. [81] Se utilizó un análisis termogravimétrico para degradar térmicamente cuatro muestras (TLW, TSW, glicerol y goma guar ) y se monitorearon bajo condiciones de temperatura dinámica específicas. [81] Aproximadamente un gramo de TLW y TSW se utilizaron en las pruebas de pirólisis. Durante estas pruebas de análisis, se utilizaron CO2 y N2 como atmósferas dentro de un reactor tubular que se construyó utilizando tubos de cuarzo. Para las atmósferas de CO2 y N2 , el caudal fue de 100 mL min −1 . [81] El calentamiento externo se creó a través de un horno tubular. Los productos pirogénicos se clasificaron en tres fases. La primera fase fue biocarbón , un residuo sólido producido por el reactor a 650 °C. Los hidrocarburos líquidos de la segunda fase se recolectaron mediante una trampa de solvente frío y se clasificaron mediante cromatografía. La tercera y última fase se analizó utilizando una unidad de micro GC en línea y esos pirolizados fueron gases.
Se llevaron a cabo dos tipos diferentes de experimentos: pirólisis de un paso y pirólisis de dos pasos. La pirólisis de un paso consistió en una tasa de calentamiento constante (10 °C min −1 ) de 30 a 720 °C. [81] En el segundo paso de la prueba de pirólisis de dos pasos, los pirolizados de la pirólisis de un paso se pirolizaron en la segunda zona de calentamiento que se controló isotérmicamente a 650 °C. [81] La pirólisis de dos pasos se utilizó para centrarse principalmente en qué tan bien afecta el CO 2 a la redistribución de carbono al agregar calor a través de la segunda zona de calentamiento. [81]
Primero se observaron los comportamientos termolíticos de TLW y TSW en los ambientes de CO2 y N2 . Para ambos TLW y TSW los comportamientos termolíticos fueron idénticos a menos de o igual a 660 °C en los ambientes de CO2 y N2 . Las diferencias entre los ambientes comienzan a ocurrir cuando las temperaturas aumentan por encima de 660 °C y los porcentajes de masa residual disminuyen significativamente en el ambiente de CO2 en comparación con el ambiente de N2 . [ 81] Esta observación probablemente se deba a la reacción de Boudouard , donde vemos que ocurre una gasificación espontánea cuando las temperaturas exceden los 710 °C. [82] [83] Aunque estas observaciones se vieron a temperaturas inferiores a 710 °C, lo más probable es que se deban a las capacidades catalíticas de los inorgánicos en TLW. [81] Se investigó más a fondo haciendo mediciones ICP-OES y se encontró que una quinta parte del porcentaje de masa residual eran especies de Ca. El CaCO3 se utiliza en papeles de cigarrillos y material de filtro, lo que lleva a la explicación de que la degradación del CaCO3 hace que el CO2 puro reaccione con el CaO en un estado de equilibrio dinámico. [81] Esta es la razón por la que se observa una descomposición de la masa entre 660 °C y 710 °C. Las diferencias en los picos del termograma diferencial (DTG) para el TLW se compararon con el TSW. El TLW tuvo cuatro picos distintivos a 87, 195, 265 y 306 °C, mientras que el TSW tuvo dos caídas importantes a 200 y 306 °C con un pico intermedio. [81] Los cuatro picos indicaron que el TLW contiene tipos más diversos de aditivos que el TSW. [81] El porcentaje de masa residual entre el TLW y el TSW se comparó aún más, donde la masa residual en el TSW fue menor que la del TLW para entornos de CO2 y N2 , concluyendo que el TSW tiene mayores cantidades de aditivos que el TLW.
Producción de hidrógeno, metano y alquitranes al crear biocarbón
El experimento de pirólisis de un solo paso mostró diferentes resultados para los ambientes de CO2 y N2 . Durante este proceso se observó la evolución de 5 gases notables diferentes. Hidrógeno, metano, etano, dióxido de carbono y etileno se producen cuando la tasa termolítica de TLW comienza a retardarse a mayor o igual a 500 °C. La tasa termolítica comienza a las mismas temperaturas para los ambientes de CO2 y N2 , pero hay una mayor concentración de producción de hidrógeno, etano, etileno y metano en el ambiente de N2 que en el ambiente de CO2 . La concentración de CO en el ambiente de CO2 es significativamente mayor a medida que las temperaturas aumentan más allá de los 600 °C y esto se debe a que el CO2 se libera del CaCO3 en TLW. [81] Este aumento significativo en la concentración de CO es la razón por la que hay concentraciones más bajas de otros gases producidos en el ambiente de CO2 debido a un efecto de dilución. [81] Dado que la pirólisis es la redistribución de carbonos en sustratos de carbono en tres productos pirogénicos. [81] El entorno de CO2 va a ser más eficaz porque la reducción de CO2 en CO permite la oxidación de los pirolizados para formar CO. En conclusión, el entorno de CO2 permite un mayor rendimiento de gases que el petróleo y el biocarbón. Cuando se realiza el mismo proceso para TSW, las tendencias son casi idénticas, por lo tanto, se pueden aplicar las mismas explicaciones a la pirólisis de TSW. [81]
Los productos químicos nocivos se redujeron en el entorno de CO2 debido a la formación de CO que provocó la reducción del alquitrán. La pirólisis en un solo paso no fue tan eficaz para activar el CO2 en la reorganización del carbono debido a las altas cantidades de pirolizados líquidos (alquitrán). La pirólisis en dos pasos para el entorno de CO2 permitió mayores concentraciones de gases debido a la segunda zona de calentamiento. La segunda zona de calentamiento estaba a una temperatura constante de 650 °C de manera isotérmica. [81] Más reacciones entre el CO2 y los pirolizados gaseosos con un tiempo de residencia más prolongado significaron que el CO2 podría convertir aún más los pirolizados en CO. [81] Los resultados mostraron que la pirólisis en dos pasos fue una forma eficaz de disminuir el contenido de alquitrán y aumentar la concentración de gas en aproximadamente un 10 % en peso tanto para TLW (64,20 % en peso) como para TSW (73,71 %). [81]
Los sistemas de lecho fluidizado [88] utilizan arena u óxido de aluminio como medio de calentamiento; [89] estos sistemas también limpian muy rápido pero el medio no se derrite ni hierve, ni emite vapores ni olores; [85] el proceso de limpieza demora de una a dos horas. [86]
Los hornos de vacío utilizan pirólisis al vacío [90] evitando la combustión descontrolada dentro de la cámara de limpieza; [85] el proceso de limpieza tarda entre 8 [86] y 30 horas. [91]
Los hornos de quemado , también conocidos como hornos de limpieza por calor , funcionan con gas y se utilizan en las industrias de pintura, revestimientos , motores eléctricos y plásticos para eliminar la materia orgánica de piezas metálicas grandes y pesadas. [92]
Síntesis química fina
La pirólisis se utiliza en la producción de compuestos químicos, principalmente, pero no solo, en el laboratorio de investigación.
El área de los cúmulos de hidruro de boro comenzó con el estudio de la pirólisis del diborano (B 2 H 6 ) a unos 200 °C. Los productos incluyen los cúmulos pentaborano y decaborano . Estas pirólisis implican no solo el craqueo (para dar H 2 ), sino también la condensación . [93]
La síntesis de nanopartículas , [94] zirconia [95] y óxidos [96] utilizando una boquilla ultrasónica en un proceso llamado pirólisis por pulverización ultrasónica (USP).
Otros usos y ocurrencias
La pirólisis se utiliza para convertir materiales orgánicos en carbono con el fin de realizar la datación por carbono-14 .
Se han realizado pruebas de la actividad antifúngica de los líquidos de pirólisis lenta de la corteza y el cáñamo contra los hongos que descomponen la madera, y se ha demostrado que tienen potencial para sustituir a los conservantes de madera actuales [97] , aunque todavía se requieren más pruebas. Sin embargo, su ecotoxicidad es muy variable y, aunque algunos son menos tóxicos que los conservantes de madera actuales, otros líquidos de pirólisis han demostrado una ecotoxicidad elevada, lo que puede causar efectos perjudiciales para el medio ambiente. [98]
La pirólisis ocurre durante la incineración de basura , generando potencialmente sustancias volátiles que son tóxicas o contribuyen a la contaminación del aire si no se queman completamente.
Los equipos de laboratorio o industriales a veces se ensucian con residuos carbonosos que resultan de la coquización , la pirólisis de productos orgánicos que entran en contacto con superficies calientes.
Cuando la temperatura aumenta de 500 a 900 °C, la mayoría de los HAP aumentan. Con el aumento de la temperatura, el porcentaje de HAP ligeros disminuye y el porcentaje de HAP pesados aumenta. [100] [101]
Herramientas de estudio
Análisis termogravimétrico
El análisis termogravimétrico (TGA) es una de las técnicas más comunes para investigar la pirólisis sin limitaciones de transferencia de calor y masa. Los resultados se pueden utilizar para determinar la cinética de pérdida de masa. [3] [17] [4] [33] [70] Las energías de activación se pueden calcular utilizando el método de Kissinger o el método de análisis de picos por mínimos cuadrados (PA-LSM). [4] [33]
En el TGA, la muestra se carga primero antes de que aumente la temperatura y la velocidad de calentamiento es baja (menos de 100 °C min −1 ). El macro-TGA puede utilizar muestras a escala de gramos, que se pueden utilizar para investigar la pirólisis con efectos de transferencia de masa y calor. [4] [103]
Pirólisis, cromatografía de gases y espectrometría de masas
La espectrometría de masas de pirólisis (Py-GC-MS) es un procedimiento de laboratorio importante para determinar la estructura de los compuestos. [104] [105]
Aprendizaje automático
En los últimos años, el aprendizaje automático ha atraído un interés de investigación significativo en la predicción de rendimientos, la optimización de parámetros y el monitoreo de procesos pirolíticos. [106] [107]
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