Desarrollo de materiales carbonosos obtenidos por transformación termoquímica de residuos industriales para la producción de agua dulce a partir de la deshumidificación del aire
Author
Advisor
Type
Trabajo de grado - Maestría
Document language
EspañolPublication Date
2024Metadata
Show full item recordSummary
El agua potable es un recurso indispensable para la humanidad. Sin embargo, en zonas de alto estrés hídrico es difícil encontrarlo en condiciones adecuadas para su consumo y uso. Por ello, el principal objetivo de este estudio es la producción de agua dulce a partir de la deshumidificación del aire utilizando carbones activados obtenidos a partir de residuos industriales para hacer frente a esta situación. Se sinterizaron carbones activados a partir de la transformación termoquímica de residuos de tereftalato de polietileno (PET) y su desempeño se comparó con carbones activados comerciales sintetizados a partir de residuos agroindustriales de café y coco. Adicionalmente, los carbones fueron modificados superficialmente con ácido nítrico para mejorar su afinidad por compuestos polares. Los materiales fueron caracterizados profundamente a través de microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de fotoemisión de rayos (XPS), espectroscopia Raman y adsorción de nitrógeno. Los resultados mostraron materiales con área superficial de hasta 1313 m2‧g-1 para aquellos sin acidificación superficial. Mientras que, aquellos modificados superficialmente disminuyeron su área superficial hasta en un 65% para los materiales sintetizados a partir de residuos de café y coco, y del 5% para aquellos sintetizados a partir de residuos PET. La acidificación superficial de los carbones permitió la exhibición de múltiples grupos oxigenados y nitrogenados, lo cual maximizó la interacción con las moléculas de agua a través de la formación de puentes de hidrógeno. Las isotermas de adsorción de agua sobre los carbones activados a 20 °C tuvieron un comportamiento Tipo IV según la clasificación de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), mientras que, para temperaturas de 30 y 40 °C se obtuvieron isotermas tipo I. La máxima capacidad adsortiva fue de 1.55 g‧g-1 para el material P800N (carbón activado carbonizado hasta una temperatura de 800 °C y modificado superficialmente con ácido nítrico) para una humedad relativa del 84% y una temperatura de 20 °C. El proceso se puede definir como espontáneo y exotérmico según las propiedades termodinámicas de la sorción. Para las pruebas de campo se diseñó un prototipo para evaluación en Medellín, Antioquía, Colombia. Durante la prueba de campo, la sorción/captura de agua se realizó durante la noche, mientras que la liberación y producción de agua se produjo durante el día con uso exclusivo de energía solar. La humedad relativa promedio durante la etapa de adsorción fue de 80%, mientras que la velocidad del viento fue de 2.3 m‧s-1 y la temperatura fue de 20.7 °C. Durante la etapa de desorción la temperatura promedia fue de 26.2°C. La productividad del agua fue igual a 0.9 g de agua condensada por g de material seco. Estos resultados indican que los materiales sintetizados pueden producir agua de manera eficiente en áreas desafiantes en el marco de una economía circular, contribuyendo a la sostenibilidad y el bienestar social en zonas con alta escases hídrica. (Tomado de la fuente)Abstract
Access to drinking water is a vital necessity for humanity. However, finding water in suitable conditions for consumption and use is challenging, particularly in areas experiencing high-water stress. The primary objective of this study is to address this issue by producing fresh water through air dehumidification using activated carbons derived from industrial waste. Commercial activated carbons, synthesized from agro-industrial coffee and coconut waste, as well as activated carbons synthesized from the thermochemical transformation of polyethylene terephthalate (PET) waste, underwent thorough characterization through techniques such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, and nitrogen. The results showed materials with a surface area of up to 1313 m2‧g-1 for those without surface acidification. Meanwhile, those superficially modified decreased their surface area by up to 65% for materials synthesized from coffee and coconut waste and 5% for those synthesized from PET waste. The surface acidification of the coals allowed the display of multiple oxygenated and nitrogenous groups, which maximized the interaction with water molecules by forming hydrogen bonds. The water isotherms on the activated carbons at 20 °C had Type IV behavior according to the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) classification. In contrast, type I isotherms were obtained for 30 and 40 °C temperatures. The maximum adsorptive capacity was 1.55 g‧g-1 for the P800N material (activated carbon carbonized up to a temperature of 800 °C and surface modified with nitric acid) with a relative humidity of 84% and a temperature of 20 °C. The process can be defined as spontaneous and exothermic according to the thermodynamic properties of the sorption. For field tests, a prototype was designed for evaluation in Medellín, Antioquia, Colombia. During the field test, water sorption/capture occurred at night, while water release and production occurred during the day with the exclusive use of solar energy. The average relative humidity during the adsorption stage was 80%, while the wind speed was 2.3 m‧s-1, and the temperature was 20.7 °C. During the desorption stage, the average temperature was 26.2°C. The water productivity was equal to 0.9 g of condensed water per g of dry material. These results indicate that the synthesized materials can efficiently produce water in challenging areas within the framework of a circular economy, contributing to sustainability and social well-being in areas with high water scarcity.Keywords
Physical description
ilustraciones, gráficos
Collections
This work is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0.This document has been deposited by the author (s) under the following certificate of deposit