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NUEVOS MATERIALES CON
APLICACIÓN PARA LA CAPTURA
DE GASES DE EFECTO
INVERNADERO

2
Química de la captura de CO2 basada en aminas
1. Aminas para la Captura de CO2
2. Clasificación de aminas
3. Punto de ebullición y viscosidad
4. Actividad y concentración
5. Basicidad de las aminas
5.1 Definición de base
5.2 pKa de una amina
5.3 Comparación de una amina con agua
6. Formación de carbamato y bicarbonato
6.1 Estabilidad de carbamato
6.2 Cinética de formación del carbamato y bicarbonato
7. Conclusiones

3
Captura de CO2 con absorbentes
adsorbentes
1. Absorción y Adsorción
1.1 Absorción y adsorción física
1.2 Absorción y adsorción química
2. Investigación y desarrollo
3. Estado del arte de los materiales
4. Conclusiones y referencias

4
Captura de CO2 con absorbentes
adsorbentes
3. Desarrollos recientes sobre los métodos de separación por adsorción de CO2
4. Desarrollo de nuevas tecnologías sobre los métodos de separación por adsorción en el RITE
4.1 Silica Mesoporosa injertada con aminas
4.2 Sorbentes solidos impregnados con aminas

5
Membranas para la separación de
CO2.
1. Separación de CO2 a través de membranas
2. Tecnologías de Separación de CO2 a través de membranas
2.1 Membranas poliméricas
2.2 Membranas inorgánicas
2.3 Membranas iónicas liquidas
3. Desarrollo de Membranas de “puerta molecular”
4. I+D para la remoción de una planta IGCC

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Química de la captura
de CO2 basada en
aminas
1

Aminas para
la Captura de
CO2
8

Aminas para la Captura de CO2
10
Figura 1: Clasificación
de aminas

Punto de
ebullición y
viscosidad
11

12
Aminas Masa Molar (g/mol)
Punto de Ebullición
normal (°C)
Viscocidad (cP)
MEA 61.08 171 24
DEA 105.14 268 380
MDEA 119.16 247 101
Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas
de las aminas

13
Figura 2. (de izq. a der.)
Monoetanolamina, Dietanolamina y
N-dimetiletanolamina

• El punto de ebullición y la viscosidad de una amina es importante
14
• Esto es a causa de la viscosidad, volatilidad y la causticidad de
las aminas puras
• Por otro lado los cationes y aniones producidos por las
reacciones entre las aminas y el CO2, poseen interacciones
moleculares. Esto significa que hay que tener en cuenta las
sustancias que las rodean (atmosfera, gases, líquidos, solidos,
etc.)
• Pero rara vez se usa una amina pura para la captura de CO2
• Las aminas están solución acuosa, en materiales porosos, en
membranas poliméricas

16
Las soluciones de aminas para la captura de CO2 generalmente contienen una alta
concentraciones de aminas (30% en masa aprox.).
Por otro lado, una considerable cantidad de especies cargadas se generan una vez
capturado el CO2
Es obligatorio la introducción del concepto de actividad (“concentración efectiva”)
para tener un modelo riguroso.
Sin embargo podemos trazar al inicio, un modelo ideal usando la concentración
molar, para luego sustituirlo en función de la actividad.
𝑎𝑖 ≡ 𝛾𝑖𝑥𝑖
𝐶𝑖 ≡
𝑥𝑖
𝑉𝑚,𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛
𝑎𝑖 ≈ 𝐶𝑖

19
Aminas pKa Aminas pKa
MEA 9.53 MAE 9.93
DEA 8.96 EAE 9.99
TEA 7.72 AMP 9.72
AP 6.70 MDEA 8.51
Tabla 2. Valores de pKa para
aminas seleccionadas

20
Figura 3. (de izq. a der.)
Monoetanolamina, Dietanolamina
y N-dimetiletanolamina

21
• Los grupos –OH debilitan la basicidad del grupo amino a través de los enlaces
sigma (N-C-C-O), debido a su naturaleza atractora de electrones.
• Los grupos alquilo aumentan la basicidad del grupo amino debido a su
naturaleza donadora de electrones
• Aminas aromáticas son ligeramente mas acidas debido a que su par de
electrones libres padecen del fenómeno de deslocalización de electrones

Formación de
carbamato y
bicarbonato
22

23
• Dos principales rutas contribuyen a una captura de CO2 a
través de soluciones de aminas, adsorbentes o
membranas, y estas incluyen la formación de carbamato
y bicarbonato

26
• La estabilidad de un carbamato es
evaluada por su Kc, la cual es asociada
a la reacción
• Aquí entre mas grande sea el valor de
Kc, mas alta es la basicidad de Lewis
de la amina. En otras palabras, una
amina con un alto Kc, generara un
carbamato estable

27
Figura 4. Cambio en la energía de
Gibbs para la formación de
carbamato a partir de bicarbonato

Cinética de
formación del
carbamato y
bicarbonato
28

31
En la primera parte de este trabajo, se presento las propiedades físicas y químicas de
las aminas para la captura de CO2. Las propiedades físicas, como el punto de
ebullición, el coeficiente de difusión y la polaridad, son información vital para
comprender, diseñar y optimizar tecnologías de captura de CO2 basadas en soluciones
acuosa de aminas. En esas tecnologías, las reacciones químicas centrales son
formaciones de carbamato y formaciones de bicarbonato.
Las complejas interacciones moleculares, varios pasos elementales, subproductos,
etc. están involucrados en estas reacciones. Entre ellos, los efectos de sustituyentes
como el alquilo y los grupos OH- , el enlace de hidrógeno y la solvatación son de suma
importancia para la síntesis o la generación de nuevas aminas.

Captura de CO2 con
absorbentes y
adsorbentes
2

34
Sorción
Absorción Adsorción
Fase Vapor o Liquida
Fase Vapor
El componente a
remover se
encuentra en
Absorbente en fase
liquida
Adsorbente en fase
solida o liquida
Fisicas o Quimicas

36
Absorción Adsorción
El componente a remover
se encuentra en todo el
volumen del absorbente
El componente a remover
se encuentra en solo la
superficie del adsorbente
Adsorción Física Adsorción Química
Principio Fuerzas de VdW Formacion de enlaces
Temperatura baja alta
Adsorbato No selectiva Alta selectividad
Calor de adsorcion Poca( 8-20 kJ) Alta(40-800 kJ)
Reversibilidad Si Irreversible
Velocidad de adsorción Rápida Lenta

Investigación
y desarrollo
37

38
Research Institute of Innovative Technology for the Earth (RITE), liderea la investigación ey
el desarrollo sobre los absorbentes y lleva a cabo una serie de investigaciones y desarrollo
sobre la captura de CO2 en la industria siderúrgica y obtuvo nuevos absorbentes.
Disolventes de alto rendimiento de captura de CO2 deben tener características tales como
baja absorción de calor, moderadamente alta absorción
tasa, y gran capacidad de captura de CO2.

40
Tipo Adsorbente Aplicacion
Adsorbente fisico Zeolitas (5A, 13 X)
• Purificador de gas.
• Usado en la estación espacial
internacional (ISS).
• Fase de investigación y
desarrollo
Carbón Activado • Purificador de gas.
MOF’s
• Fase de investigación y
desarrollo (Secuestro CO2 a alta
presión)
Adsorbente químico
MOFS modificados con
óxidos/carbón
Fase de investigación y desarrollo
Carbón dopado con K/N
Hidrotalcitas (Hydroltacites)
Óxidos de calcio y
circonatos/silicatos de litio

41
Tabla 4. Principales adsorbentes
químicos y físicos. Tomado y editado
de Nakao &Yogo (2019)

Estado del
arte de los
materiales
42

Zeolitas
43
El adsorbente más representativo utilizado para la adsorción física es la
zeolita. La zeolita es un aluminosilicato cristalino, y la adsorción de gas a
la zeolita se debe principalmente a la interacción entre el campo
electrostático localizado causado por los cationes unidos a (AlO4)- en la
estructura cristalina y la polaridad de las moléculas por adsorción física.
Por lo tanto, adsorbe selectivamente moléculas polares y moléculas
polarizadas que tienen dipolo y momentos cuadripolares.
Además, la zeolita tiene poros uniformes tridimensionales de
varios niveles de Å cercanos al diámetro molecular del gas

44
En general, se dice que la selectividad del gas polar
considerado como una impureza presente en varios
gases de materias primas es el siguiente:
Como se muestra en la clasificación anterior, la molécula más selectiva para la zeolita en general
es agua y su capacidad de adsorción también es extremadamente grande, por lo que a menudo se usa
como material higroscópico para el secado de gases y líquidos en el proceso petroquímico.
Por lo tanto, cuando la zeolita se usa como adsorbente para separar y recuperar CO2, es necesario
eliminar el agua previamente mediante un proceso de pretratamiento.

45
Figura 6 . Estructura de una zeolita
tipo A (o también llamada LTA, Linde
Type A debido a su estructura
semejante a un tamiz molecular).

Sorbentes de óxidos metálicos
46
Los óxidos metálicos capaces de absorber químicamente CO2 suelen
contener metales alcalinos o metales alcalinotérreos. La captura
reversible de CO2 por los adsorbentes de óxidos metálicos se puede
generalizar mediante:
𝑀𝑋𝑂+ 𝐶𝑂2⇋ 𝑀𝑋 𝐶𝑂3

Materiales mesoporosos
47
La sílice mesoporosa orgánicamente funcionalizada ha atraído una
atención considerable debido a la amplia gama de aplicaciones como
adsorbentes y catalizadores.
Debido a que la sílice mesoporosa tiene poros uniformes y grandes, y una
relativamente
área de superficie alta, una gran cantidad de sitios activos o sitios de
adsorción pueden ser uniformemente introducido en las paredes de los
poros a través de la modificación de la superficie con moléculas de
organosilano.

48
Los materiales mesoporosos son sustancias situadas entre
materiales microporosos como zeolitas y materiales
macroporosos como vidrio poroso y tienen un diámetro de poro
de aproximadamente 2 a 50 nm
Figura 7 . Modificación de silica
mesoporosa agregando aminas en
su superficie (Tomado de Nakao,
Goto, Kai 2019)

Sorbentes solidos impregnados con aminas
49
La tecnología de sorbente sólido es una gran promesa, pues da ventajas
para los procesos de regeneración de disolventes, procesos catalíticos
mediante el uso de aminas soportadas en material poroso, exhibiendo
características de sorción de CO2 similares a las de los solventes a base
de aminas.

50
Figura 8 . Absorbentes
y sorbentes

Membranas para la
separación de CO2.
4

52
En cuanto a las membranas inorgánicas, se han reportado membranas de zeolita y membranas de
carbono, entre otras, para la separación de CO2. Las membranas inorgánicas tienen poros de tamaño
apropiado que pueden actuar como tamices moleculares para separar las moléculas de gas. Además,
las membranas inorgánicas con fuertes afinidades por el CO2 muestran niveles una alta selectividad del
CO2 sobre N2 y CH4.
Noble et al. informó que SAPO-34 mostró un alto rendimiento de separación de CO2/CH4 [5].
Bae et al. informaron que las membranas compuestas orgánicas/inorgánicas preparadas mediante la
incorporación de MOF (ZIF-90) en una matriz polimérica también mostraron un alto rendimiento de
separación de CO2/CH4 [1].
Wang et al. prepararon una membrana zeolitica para la separación de la mezcla CO2/CH4 por síntesis
hidrotermal asistida por microondas [2].
Dong et al. informó sobre las delgadas membranas bifásicas de cerámica y carbonato para CO2
separación del gas de síntesis [3].
Shin et al. tamiz molecular de carbono preparado membranas de fibra hueca mediante el uso de
mezclas compatibles de polímero/polisilsesquioxano como precursores.[5]

53
Las membranas de líquidas iónicas han recibido un interés creciente y se han estudiado en
últimos años debido a sus bajas presiones de vapor y estabilidad a altas temperaturas.
Se prepararon membranas de líquido iónico polimerizado para la separación de CO2/N2,
CO2/CH4, etc., por Noble et al. [6].
Los líquidos iónicos que contienen aminoácidos fueron investigados en la separación de CO2/H2 por
Myers et al. [7] y una selectividad de CO2/H2 de 15 a 85 °C.
Matsuyama et al. informaron membranas líquidas iónicas que contienen amino para la separación de
CO2 / CH4 y la membrana mostró una capacidad constante de separación para 260 días αCO2/CH4 = ca.60
[8].
Kasahara et al. Prepararon membranas de transporte facilitado que contienen iónicos específicos de
aminas líquidas [9].
Nikolaeva et al. informaron de membranas poliiónicas a base de celulosa para separación de CO2/N2 y
CO2/CH4 [10].

55
Para finalizar esta ultima parte del trabajo, muchas investigaciones y desarrollos de
nuevos métodos selectivos de CO2 se revisaron.
Se sintetizan membranas para la separación de CO2/N2, CO2/CH4 y CO2/H2. Todos los
autores esperan que el proceso de membrana se comercialice en un futuro próximo.

56
Bae T-H, Lee JS, Qiu W, Koros WJ, Jones CW, Nair S (2010) A High-performance
gas-separation membrane containing submicrometer-sized metal-organic framework crystal.
Angew Chem Int Ed 49:9863–9866
2. Bara JE, Lessmann S, Gabriel CJ, Hatakeyama ES, Noble RD, Gin DL (2007) Synthesis and
performance of polymerizable room-temperature ionic liquids as gas separation membranes.
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hybrid membranes for CO2 capture. J Membr Sci 423–424:107–112
8. Han Y, Wu D, Ho WSW (2018) Nanotube-reinforced facilitated transport membrane for
CO2/N2 separation with vacuum operation. J Membr Sci 567:261–271
9. Hanioka S, Maruyama T, Sotani T, Teramoto M, Matsuyama H, Nakashima K, Hanaki M,
Kubota F, Goto M (2008) CO2 separation facilitated by task-specific ionic liquids using a
supported liquid membrane. J Membr Sci 314:1–4
10. Huang G, Isfahani AP, Muchtar A, Sakurai K, Shrestha BB, Qin D, Yamaguchi D, Sivaniah
E, Ghalei B (2018) Pebax/ionic liquid modified graphene oxide mixed matrix membranes for
enhanced CO2 capture. J Membr Sci 565:370–379

57
MUCHAS
GRACIAS POR
SU ATENCION

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