Preparación de carbón activado conformado a partir de hydrochar de borra de café

Abstract

The current agroindustrial development is characterized by generating high volumes of waste, mainly waste lignocellulosic biomass. These are mainly used for composting and for generating heat by combustion, and alternately used for the production of activated carbon. A carbonization option for biomass with high moisture content is hydrotreatment at subcritical water conditions (𝑇𝑐𝐻2𝑂 = 374 ° 𝐶). The solid thus obtained is called hydrochar which is used as a precursor of activated carbon. In this research activated carbon is prepared from spend ground coffee hydrochar formed and unformed. carboxymethylcellulose was used as a binder for preparing shaped before activation. In this investigation it was considered to start from hydrochar because the hydrotreatment procedure through which it is prepared is appropriate for biomass with high moisture content, as with spend group coffee, also because the particle size of the bean is well adjusted for this procedure. Hydrothermal treatment conditions to prepare the hydrochar were 220 ° C and 240 ° C for times of 12 to 48 h and ratio g borra / mL water 1/10 and 3/10. The chemical characterization by FTIR and Raman, textural by SEM and gas adsorption (N2 at -196 ° C and CO2 at 0 ° C) and the proximate analysis of the hydrochar, indicated that the hydrotreatment resulted in a carbonaceous structure with more graphite character and less structural disorder due to the presence of heterogeneous groups such as aliphatic, C-O-C, -OH, the higher the temperature and the time of hydrotreatment. Likewise, it was determined that the spend group coffee / water ratio affected the properties of the hydrochar. Since the temperatures of obtaining hydrochar are relatively low to stabilize the structure of the biomass for subsequent activation, it was decided to choose the hydrochar that had the greatest graphite character and less heteroatoms, since the presence of such defects can affect the mass yields of activated carbon to be obtained. This is how the hydrochar prepared at 240 ° C, 48 h and the ratio of g / l water / mL = 1/10 was selected for subsequent activation. Activation is made by the physical method, with steam at temperatures between 600 and 800 ° C; and by the chemical method, with H3PO4, between 400 and 600 ° C; and in all cases 1 and 2 h of activation. Chemical activation area it not developed, while the physical activation developed surface area between 360 m2 g-1 to 730 m2 g-1, and essentially mesoporous porosity, compared with direct activation of the batt that essentially developed microporosity. The results show that as hydrotreating prior to activation step is an alternative for obtaining porous materials with favorable yields in mass, and the porosity which can develop is essentially mesoporous. The hydrothermal treatment, prior to the activation step takes advantage of the spend grounds coffee high humidity and particle size that is generated, so that processes conditioning biomásico precursor, such as drying and grinding, are eliminated factors determinants for energy savings. The porosity of activated carbon from hydrochar of spend group coffee allows to modulate the porosity towards the conformation of mesoporos, while the activation of spend group coffee, using as a previous step the pyrolysis, develops essentially a microporous structure. In general, the preparation of activated carbon from hydrochar of spend grounds coffee, can assess this waste generated in high volumes, with moisture content and particle size, important characteristics for the hydrothermal procedure.

El desarrollo agroindustrial actual se caracteriza por generar altos volúmenes de residuos, principalmente residuos biomásicos lignocelulósicos. Estos se emplean mayoritariamente para compostaje y para la generación de calor por medio de combustión, y alternativamente se utilizan para la producción de carbón activado. Una opción de carbonización para biomasas con alto contenido de humedad es el hidrotratamiento a condiciones subcríticas del agua (𝑇𝑐𝐻2𝑂=374°𝐶 y presión ~22Mpa). El sólido así obtenido se denomina hydrochar el cual es utilizado como precursor de carbón activado. En esta investigación se preparó carbón activado, a partir de hydrochar de borra de café conformado y sin conformar. Para la preparación de los conformados antes de activación, se utilizó carboximetilcelulosa como aglomerante. En esta investigación se consideró partir de hydrochar porque el procedimiento de hidrotratamiento a través del cual este se prepara es apropiado para biomasa con alto contenido de humedad, como ocurre con la borra de café, además porque el tamaño de partícula de la borra se ajusta bien para este procedimiento. Las condiciones del tratamiento hidrotermal para preparar el hydrochar fueron 220 °C y 240 °C por tiempos de 12 a 48 h y relación masaborra (g)/volumen agua (mL) 1/10 y 3/10. La caracterización química por FTIR y Raman, textural por SEM y por adsorción de gases (N2 a -196 °C y CO2 a 0 °C) y el análisis próximo del hydrochar, indicaron que el hidrotratamiento dio lugar a un estructura carbonosa con carácter más grafítico y menos desorden estructural por la presencia de grupos como alifáticos, C-O-C, -OH, cuanto mayor fue la temperatura y el tiempo de hidrotratamiento. Así mismo, se pudo determinar que la relación masa borra (g)/volumen agua (mL) incidió en las propiedades del hydrochar. Dado que las temperaturas de obtención de hydrochar son relativamente bajas para estabilizar la estructura de la biomasa para la posterior activación, se optó por seleccionar el hydrochar que presentara el mayor carácter grafítico y menos heteroátomos, ya que la presencia de tales defectos puede incidir en los rendimientos en masa del carbón activado a obtener. Fue así como el hydrochar preparado a 240 °C, 48 h y relación borra/agua=1/10 fue el seleccionado para posterior activación. La activación se hizo por el método físico, con vapor de H2O a temperaturas entre 600 °C y 800 °C; y por el método químico, con H3PO4, entre 400 °C y 600 °C; y con tiempos para ambos tipos de activación de 1 y 2 h. La activación química no desarrolló área, mientras que la activación física desarrolló áreas superficiales entre 360 m2 g-1 - 730 m2 g-1, y porosidad esencialmente mesoporosa, en comparación con la activación directa de la borra que desarrolló esencialmente microporosidad. Los resultados obtenidos muestran que, el hidrotratamiento como paso previo a la activación es una alternativa que permite obtener materiales porosos con rendimientos en masa favorables, y que la porosidad que puede desarrollarse es esencialmente mesoporosa. El tratamiento hidrotermal, como paso previo a la activación, permite aprovechar de la borra de café la alta humedad y el tamaño de partícula con que se genera, de tal forma que se eliminan procesos de acondicionamiento del precursor biomásico, como secado y molienda, factores determinantes para un ahorro energético. La porosidad del carbón activado a partir de hydrochar de borra permite modular la porosidad hacia la conformación de mesoporos, mientras que la activación de la borra, usando como paso previo la pirólisis, desarrolla esencialmente una estructura microporosa. En general, la preparación de carbón activado a partir de hydrochar de borra de café, permite valorar este residuo que se genera en altos volúmenes, con su humedad y su tamaño de partícula, características importantes para el procedimiento hidrotermal.