RT Dissertation/Thesis
T1 Adsorption of harmful gases from air using porous materials
A1 Matito Martos, Ismael
K1 Descontaminación
K1 Gases nocivos
K1 Materiales porosos
AB En esta tesis se aborda el uso de materiales porosos como soluciones postproductivaspara la reducción y eliminación de gases contaminantes tales como óxidos de nitrógeno,óxidos de azufre, dióxido de carbono, hexafluoruro de azufre y agentes de guerra química.Para este fin íntimamente relacionado con la protección del medio ambiente y la mejorade la calidad del aire y la salud, se han utilizado dos familias de materiales con demostradaaplicabilidad en la actualidad en este tipo de procesos, como son las zeolitas ylos MOFs (del inglés Metal Organic Frameworks). Dichas familias de materiales presentanamplia diversidad, ya sea de topológica (en el caso de las zeolitas) y o estructural(en el caso de los MOFs). En este ámbito, la simulación molecular se perfila como unaherramienta esencial a la hora no solo de dar una explicación a nivel molecular de losfenómenos que rigen el proceso de captura y separación de los distintos gases, sinotambién como elemento capaz de probar y cribar un gran número de materiales e inclusodiseñar otros nuevos. En este trabajo, se han usado técnicas de simulación molecularbien conocidas y validadas una amplia trayectoria (Monte Carlo y Dinámica Molecular).Por medio de estas técnicas se han estudiado procesos de adsorción y difusión de gasescontaminantes en el seno de los materiales porosos anteriormente citados. Los procesosde adsorción/separación concretos que se han abordado en esta tesis son 1) adsorciónde gases de combustión y gases de efecto invernadero, incluyendo SO2, CO2, SF6 y COusando zeolitas 2) el estudio del efecto del confinamiento en la reacción de dimerizacióndel NO2 y 3) materiales capaces de abordar la captura de agentes químicos de guerraen presencia de humedad atmosférica para la protección contra eventuales ataquesdeliberados.Efecto de la topología en la captura y separación de compuestos de azufregaseosos (Capítulos 2 y 3).En este bloque se profundiza en el estudio a nivel molecular del efecto que ejercenuna larga variedad de materiales zeolíticos con diferente topología en la captura yseparación de compuestos de azufre (SO2 y SF6) con importancia ambiental. Para ellose tienen en cuenta no solo propiedades de adsorción a bajo recubrimiento, sino tambiénpropiedades de difusión y selectividades a condiciones de presión y temperatura óptimaspara realizar el proceso de separación y captura. Concretamente, en el Capítulo 2 seaborda la captura selectiva de SO2 sobre CO2 y CO, una mezcla proveniente de gasesde combustión. Por otro lado, en el Capítulo 3 se pone el foco en mezclas de SF6 y N2,comúnmente utilizadas en la industria eléctrica como aislante. Cabe destacar que enambos capítulos se han desarrollado los parámetros de interacción para describir laadsorción de los compuestos de azufre anteriormente citados en zeolitas, ajustando losresultados obtenidos con datos experimentales.Las principales conclusiones de este bloque de contenidos son:Los dos compuestos de azufre muestran la interacción más fuerte con las zeolitas respectoal resto de gases estudiados, un comportamiento que está relacionado con sutamaño y forma. Por otro lado, las interacciones más fuertes se observan en materialescon menor volumen de poro, aunque hay algunas estructuras concretas que escapande esta tendencia general debido a la existencia de sitios específicos de adsorción queson capaces de modificar la afinidad por el material a bajo recubrimiento. De este modo,para el SO2 zeolitas como MOR son las más selectivas. Sin embargo, el mayor tamaño dela molécula de SF6 hace que no pueda acceder a alguno de estos sitios, de forma que lasestructuras que los presentan (por ejemplo MOR) muestran la peor selectividad haciaeste gas. Del estudio de la mezcla ternaria SO2/CO2/CO en condiciones ambientales seextrae que el SO2 es el gas más adsorbido a pesar de hallarse en menor proporción en lamezcla. Por otro lado, del estudio de la mezcla binaria SF6/N2 a temperatura ambientese concluye que el intervalo óptimo de trabajo está localizado entre 3x102-3x103 kPa.En ambos capítulos se subraya la importancia de tener en cuenta las propiedades dedifusiÿsn para la selección de de los materiales más adecuados, llegándose a descartarmateriales que habían mostrado una buena selectividad de adsorción por ser muy bajala difusión en ellos En cuanto a la topología, se concluye que estructuras con sistemasde canales y bajo volumen de poro son los más adecuadas para la captura selectiva deSO2 sobre CO2, mientras que la separación de SF6 de N2 es más eficiente utilizandozeolitas con sistemas de canales interconectados de tamaño de poro comprendido entre5 y 7 Å.Efecto del confinamiento en el equilibrio de sistemas reactivos (Capítulo 4):El capítulo 4 se centra en identificar el efecto que ejerce el confinamiento sobre sistemasreactivos como el que constituye el proceso de formación de dímeros a partir de lamolécula de NO2. Para ello se utilizan una serie de zeolitas con distinta topología parahacer un estudio comparativo del equilibrio fuera y dentro de cada una de ellas y suevolución frente a condiciones cambiantes de presión y temperatura.De este capítulo cabe destacar las siguientes conclusiones:El confinamiento en zeolitas es responsable de la formación de dímeros debido tanto aun incremento en la densidad del adsorbato como a un comportamiento selectivo delmaterial hacia esta especie. En cuanto a las mayores modificaciones de las condicionesideales de equilibrio, estas se han se han observado en zeolitas de tipo canales con porosde diámetro similar a las moléculas de estudio. Por otro lado, la formación de dímerosdebida al confinamiento también se ve afectada por la existencia de sitios preferentes deadsorción al aumentar estos la afinidad de los materiales por las moléculas de monómeroa determinadas condiciones de presión y temperatura. Estas particularidades mostradaspor algunos materiales deben tenerse cuidadosamente en consideración cuando se trabajecon sistemas reactivos de naturaleza similar al estudiado.Captura selectiva de agentes de guerra química usando MOFs (Capítulo 5):En este quinto capítulo se estudia la capacidad de un elevado número de materialespara la captura de una serie de agentes químicos (gas mostaza, sarin y soman) en presenciade humedad atmosférica. Para ello se analiza la hidrofobicidad de los materiales,seleccionando aquellos que minimicen la adsorción de agua. A partir de estos se realizauna nueva selección de los materiales en base a su capacidad de adsorción para las tresmoléculas de estudio. El proceso se finaliza con la síntesis y prueba experimental de unode los materiales seleccionados para validar todo el método computacional de selección.Las conclusiones más relevantes de este estudio son:El buen acuerdo entre los resultados obtenidos para los agentes de guerra químicay cada uno de sus respectivos compuestos análogos comúnmente utilizados en procedimientosexperimentales, apoyan su uso para extrapolar resultados relativos a losprimeros. El uso de simulaciones con un bajo coste computacional, como la obtenciónde calores de adsorción y constantes de Henry, para la búsqueda de materiales queminimicen la adsorción de agua ha quedado revalidado con los resultados obtenidosen condiciones de alta humedad relativa. El propio proceso de selección de materialesusando diferentes metodologías computacionales ha sido finalmente validado por losresultados experimentales obtenidos tras la síntesis y prueba de uno de los materialesseleccionados. Estos resultados experimentales muestran una excelente adsorción parasulfuro de dietilo, molécula análoga al gas mostaza, en presencia de agua, así como unabuena estabilidad del material durante el proceso.Como conclusión general, los resultados mostrados en esta tesis demuestran la utilidadde la simulación como instrumento para la selección y el diseño de materiales capaces deayudar a mejorar algunos problemas ambientales que nos afectan a la sociedad actual.En cuanto al proceso de cribado y selección, los resultados también demuestran quedicho proceso no puede basarse solo en el estudio de propiedades de adsorción a bajorecubrimiento, sino que además debe incluir simulaciones más complejas y costosas queproporcionen informaciÿsn sobre la capacidad de adsorción y difusión de los materialesen las condiciones de presión y temperatura de interés para cada proceso concreto.Finalmente se destaca la importancia de una buena sinergia entre los procedimientosexperimentales y la simulación, herramientas que como se ha demostrado se retroalimentany se ayudan entre ellas para seleccionar los materiales más adecuados paracada proceso de captura y separación.
YR 2019
FD 2019
LK http://hdl.handle.net/10433/7228
UL http://hdl.handle.net/10433/7228
LA en
NO Programa de Doctorado en Medio Ambiente y Sociedad
NO Línea de Investigación: Simulación Molecular de Sistemas Complejos con Aplicaciones Medioambientales
NO Clave Programa: DAM
NO Código Línea: 89
NO Universidad Pablo de Olavide de Sevilla. Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales
DS RIO
RD May 22, 2026