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El presente Trabajo de Título tuvo por objetivo diseñar y construir un modelo físico a escala del lecho empacado que utilizará la futura planta piloto de conversión continua de cobre, perteneciente al proyecto Fondef D04I1307 “Nuevo proceso continuo de conversión de mata a cobre Blister” destinada a procesar 5 (ton/h) de mata de cobre líquida. Con el modelo físico se pretendió simular las condiciones fluidodinámicas de operación de la planta (sin considerar transferencia de masa ni de calor), buscando obtener relaciones entre los parámetros de operación y la respuesta fluidodinámica del lecho, midiendo datos de caída de presión y de retención dinámica de líquido de la columna (holdup dinámico). La escala de construcción del modelo físico corresponde a 1:10 con respecto a la planta piloto, y se diseñó bajo el concepto de similitud geométrica. Se evaluó el comportamiento del lecho para diferentes diámetros de relleno, utilizando esferas de vidrio de 5, 10 y 15 (mm) de diámetro, estudiando también el comportamiento de trozos de ladrillo refractario clasificados como relleno. La mata de cobre se simuló con agua y el aire enriquecido con cilindros de aire industrial. Bajo condiciones de lecho seco (sin flujo de agua en contracorriente al aire), se obtuvo curvas de flujo de aire v/s caída de presión, las cuales se adecuaron bastante bien a lo predicho teóricamente por la ecuación de Ergun, lo que indicó que el arreglo experimental y los instrumentos de medición operaban correctamente. Además se consiguió establecer que la ecuación es aplicable a la planta piloto. Para condiciones de flujo de agua y aire en contracorriente se pudo concluir que un menor diámetro de partícula otorga mayor holdup dinámico, y por lo tanto mayor tiempo de residencia, además de provocar una mayor caída de presión. Por otro lado, un diámetro grande de partícula genera una baja caída de presión, acompañada de menores tiempos de residencia y un menor aprovechamiento de la superficie sólida disponible para contactar las fases de líquido y gas. Los ladrillos refractarios permitieron, en un comienzo, bajos niveles de holdup dinámico, para posteriormente dar paso a la aparición súbita de la condición de inundación (condición de operación máxima de la columna empacada). Esto se asocia a la diferencia en la interacción del agua con la superficie del ladrillo refractario y a la desigualdad entre la geometría esférica y la geometría irregular de los ladrillos. En todos los arreglos se alcanzó en algún punto la condición de inundación (flooding), esto permitió determinar el límite máximo de operación para la columna con diferentes rellenos. Finalmente se intentó escalar los resultados a los esperables para la planta piloto, no obstante, la diferencia entre los números adimensionales pertinentes al modelo físico y al prototipo (planta piloto) indicó una imposibilidad de confiar en los resultados de un eventual escalamiento. Esta restricción no impidió realizar una estimación para determinar si se dará o no la condición de flooding bajo los parámetros de operación de la columna piloto. De acuerdo a los resultados de esta aproximación se concluyó que la columna operará lejos su condición de capacidad máxima.

Se presenta un modelo matemático para el diseño y simulación de un reactor de lecho fijo con enzimas inmovilizadas en partículas esféricas porosas. La ecuación de diseño del reactor se ha resuelto para el caso de un sistema enzimático, con limitaciones difusionales internas, que obedece a una cinética de Michaelis-Menten reversible.La validez del modelo se ha comprobado con el sistema enzimático naringina/naringinasa, aplicable al proceso de desamargado de zumos cítricos. / A mathematical model for design and simulation of a fixed bed reactor with immobilized enzymes in spherical particles is presented. The reactor design equation is solved for an enzymatic system taking into account internal diffusional limitations. Moreover, the enzyme obeys a reversible Michaelis-Menten kinetic. The validity of the model is checked by using the enzymatic system naringine/naringinase, which is used for fruit juice debbitering processes.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-18T15:04:53Z No. of bitstreams: 1 RODRIGO SÉRGIO FERREIRA DE MOURA -DISSERTAÇÃO PPGEA 2001..pdf: 7960772 bytes, checksum: 6c554557385690a7c05980568ee6742b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-18T15:04:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RODRIGO SÉRGIO FERREIRA DE MOURA -DISSERTAÇÃO PPGEA 2001..pdf: 7960772 bytes, checksum: 6c554557385690a7c05980568ee6742b (MD5) Previous issue date: 2001-03-16 / Capes / En este trabajo se ha estudiado las isotermas de desorción dei cajuil (Anacardium occidentale L.) vahedad roja, y los efectos de la temperatura y velocidad dei aire en la cinética dei secado de lo mismo, con vistas a la obtención de un modelo empírico que simbolizase el proceso, mediante un "planeamiento experimental". La humedad de equilíbrio fue obtenida con auxilio dei aparato Termoconstanter Novasina TH 200, que emplea el método estático; lo ajuste de los datos se hizo por regresión no linear, pelos modelos de BET, GAB, Halsey e Oswin, eligiéndose lo mejor mediante coeficiente de determinación (R2) y el modulo de la desviación relativa (P); la cinética dei secado, en camada fina, fue obtenida en uno secador de lecho fijo, para un rango de temperaturas variando de 35 a 65° C, y velocidades dei aire de secado de 0,9 a 1,9 m.s"1, de acuerdo con el planeamiento factorial completo (22 + configuración estrella). Adentren los modelos ajustados para las isotermas estudiadas, GAB fue el mejor, habido escogido para presentar las isotermas de desorción dei cajuil; se observo que los parâmetros Xm e C de esto modelo, disminuyeron con el aumento de la temperatura; se constato por médio de las curvas de secado que el tiempo gastado para secar el cajuil en las temperaturas de 35 y 40° C es el doble dei tiempo requerido a 65° C, y que la velocidad dei aire de secado no tiene influencia en el proceso; en la formulación de los modelos empíricos, el modelo de 2a orden presente un valor mayor de R2 y la relación entre F calculado e F tabulado vario de 6,04 a 19,86, aunque para el modelo linear esta relación fue de 0,27 a 5,40. Así, se pudo concluir que la cinética de secado es fuertemente afectada pela temperatura; el modelo de 2a orden es util para fines predectivos de la cinética de secado de esto producto; y, que mejor rango de operación se dio con la temperatura mas elevada. / Este trabalho teve como objetivos determinar as isotermas de dessorção do caju {Anacardium occidentale L.), "variedade" vermelha, e os efeitos da temperatura e da velocidade do ar na cinética de secagem deste produto, visando a obtenção de um modelo empírico que represente esse processo, mediante o emprego de um planejamento experimental. A umidade de equilíbrio foi obtida com o auxílio do equipamento Termoconstanter Novasina TH 200, utilizando-se o método estático-indireto; o ajuste dos dados foi feito através de regressão não linear, pelos modelos de BET, GAB, Halsey e Oswin, escolhendo-se o melhor mediante o coeficiente de determinação (R2) e o módulo do desvio médio relativo (P); a cinética de secagem, em camada fina, foi obtida em um secador de leito fixo, nas temperaturas variando de 35 a 65° C e velocidades do ar de secagem de 0,9 a 1,9 m.s"\ conforme o planejamento fatorial completo (22 + configuração estrela). Dentre os modelos ajustados às isotermas estudadas, GAB apresentou melhor ajuste dos dados experimentais, tendo sido escolhido para representar as isotermas de dessorção do caju; observou-se que os parâmetros Xm e C desse modelo, decresceram com o aumento da temperatura; constatou-se mediante as curvas de secagem que o tempo gasto para secar o caju nas temperaturas de 35 e 40° C é o dobro do tempo requerido a 65° C, e que a velocidade do ar de secagem não exerce influência no processo; na construção dos modelos empíricos, o modelo de 2â ordem apresentou um maior valor de R2 e a relação entre F calculado e F tabelado variou de 6,04 a 19,83, enquanto que no modelo linear esta relação foi de 0,27 a 5,40. Assim, pode-se concluir que a cinética de secagem é fortemente afetada pela temperatura; o modelo de 2a ordem é útil para fins preditivos da cinética de secagem desse produto; e, que a melhor faixa de operação é aquela correspondente à temperatura mais elevada.

En el presente trabajo se estudió la optimización de las condiciones de síntesis y propiedades de adsorción del carbón de hueso (CH) para la remoción de fluoruros del agua haciendo un énfasis en el estudio del proceso de carbonización y de la modificación química del adsorbente empleando sales metálicas. Se realizó la optimización de las condiciones de síntesis del CH empleando atmósfera de N2 y CO2. Los resultados obtenidos indicaron que existe una tendencia importante entre la capacidad de adsorción de fluoruros con respecto a las variables involucradas en su síntesis. Se determinó que la temperatura de carbonización es un parámetro crítico para la síntesis de CH destinado a la remoción de fluoruros del agua debido al proceso de deshidroxilación de la hidroxiapatita. También, se estableció que es posible obtener un CH con atractivas propiedades de adsorción de fluoruros utilizando CO2. Con estos estudios se logró sintetizar un CH con una capacidad de adsorción de fluoruros óptima. El CH optimizado mostró un mejor desempeño de remoción que CH comerciales disponibles en el mercado nacional. La caracterización fisicoquímica de las muestras obtenidas permitió comprobar que el mecanismo de remoción asociado es el intercambio iónico entre los iones F- y los OH- de la hidroxiapatita. En una segunda fase, se estudió la modificación del CH con sales metálicas de aluminio y hierro para incrementar sus propiedades de adsorción de fluoruros. Los resultados indicaron que la capacidad de adsorción de fluoruros del agua se incrementó para la mayoría de las muestras de CH modificado con dichas sales donde el desempeño del adsorbente depende de la sal metálica empleada así como de las condiciones utilizadas en la modificación química. Se observó que el CH modificado con sulfato de aluminio mostró el incremento más significativo con una capacidad de adsorción de fluoruros ≈ 31 mg/g, la cual supera a la mayoría de los resultados reportados en la literatura para diferentes adsorbentes. La adsorción de fluoruros se favoreció debido a la incorporación del ión metálico en la estructura del CH y se estableció que el mecanismo de remoción sigue involucrando un intercambio iónico entre los iones F- y OH-. Finalmente, se realizó la evaluación del desempeño del CH dopado con sulfato de aluminio en procesos de adsorción en columnas empacadas de lecho fijo a diferentes condiciones de operación. Los resultados obtenidos indicaron que las condiciones de operación tienen un efecto significativo en el grado de asimetría del perfil de adsorción de fluoruros en el carbón de hueso dopado con sulfato de aluminio. Se observó un desempeño adecuado del CH dopado con aluminio en el proceso de adsorción en continuo y se determinó una capacidad de adsorción máxima de 19.02 mg/g. Se estableció que la remoción de fluoruros en columnas empacadas de lecho fijo con CH dopado con sulfato de aluminio superó en un 500% a los valores reportados para este tipo de sistemas usando carbones de hueso comerciales.

La meta de esta tesis es impulsar las tendencias de desarrollo de la industria química que promueven la sostenibilidad de la misma. El objetivo es un control integrado de la contaminación que permita reducir las emisiones a fin de promover las actividades de producción sostenibles.En este sentido, el tratamiento de efluentes industriales con fluoruros consiste en una precipitación química. Sin embargo, el proceso genera elevadas cantidades de lodos con elevada humedad y bajo riqueza en fluoruro cálcico, por lo que su reutilización en la fabricación de HF no es viable técnica y económicamente.En esta tesis se presenta la recuperación de fluoruros de aguas industriales fluoradas mediante cristalización en un reactor de lecho fluidizado. Las principales ventajas de esta tecnología respecto del tratamiento convencional son la no generación de lodos, la reducción de residuos y la recuperación de fluoruro para su posterior valorización. / The aim of this thesis is to support the trends of the chemical industry development that promote sustainability. The goal is an integrated pollution control to reduce the emissions in order to promote sustainable production activities.In this sense, the common methods for fluoride removal from industrial wastewater involve chemical precipitation. The process generates large amounts of a water rich sludge requiring disposal with increasing costs. Due to the high water content and the low quality of the sludge, reuse of fluoride is not an economical option. The removal of fluoride in a fluidized bed reactor by crystallization has been presented in this thesis as an alternative to the chemical precipitation. When it is compared with the conventional precipitation process, the major advantage of this new clean technology is the elimination of sludge formation, the materials recovery and the reduction of solid waste.

[ES] Los altos costes energéticos, las constantes medidas regulatorias aplicadas por las administraciones para mantener bajos los costes sanitarios, así como los cambios en la normativa sanitaria que se han introducido en los últimos años, han tenido un impacto significativo en la industria farmacéutica y sanitaria. El paradigma Industria 4.0 engloba cambios en el modelo productivo tradicional de la industria farmacéutica con la inclusión de tecnologías que van más allá de la automatización tradicional. El objetivo principal es lograr medicamentos más rentables mediante la incorporación óptima de tecnologías como la analítica avanzada. El proceso de fabricación de las industrias farmacéuticas tiene diferentes etapas (mezclado, secado, compactado, recubrimiento, envasado, etc.) donde una de las etapas más costosas energéticamente es el proceso de secado. El objetivo durante este proceso es extraer el contenido de líquidos como el agua mediante la inyección de aire caliente y seco en el sistema. Este tiempo de secado normalmente está predeterminado y depende del volumen y el tipo de unidades de producto farmacéutico que se deben deshidratar. Por otro lado, la fase de precalentamiento puede variar dependiendo de varios parámetros como la experiencia del operador. Por lo tanto, es posible asumir que una optimización de este proceso a través de analítica avanzada es posible y puede tener un efecto significativo en la reducción de costes en todo el proceso de fabricación. Debido al alto coste de la maquinaria involucrada en el proceso de producción de medicamentos, es una práctica común en la industria farmacéutica tratar de maximizar la vida útil de estas máquinas que no están equipados con los últimos sensores. Así pues, es posible implementar un modelo de aprendizaje automático que utilice plataformas de analítica avanzada, como la computación en la nube, para analizar los posibles ahorros en el consumo de energía. Esta tesis está enfocada en mejorar el consumo de energía en el proceso de precalentamiento de un secador de lecho fluido, mediante la definición e implementación de una plataforma de computación en la nube IIOT (Industrial Internet of Things)-Cloud, para alojar y ejecutar un algoritmo de aprendizaje automático basado en el modelo Catboost, para predecir cuándo es el momento óptimo para detener el proceso y reducir su duración y, en consecuencia, su consumo energético. Los resultados experimentales muestran que es posible reducir el proceso de precalentamiento en un 45% de su duración en tiempo y, en consecuencia, reducir el consumo de energía hasta 2.8 MWh por año. / [CAT] Els elevats costos energètics, les constants mesures reguladores aplicades per les administracions per mantenir uns costos assistencials baixos, així com els canvis en la normativa sanitària que s'han introduït en els darrers anys, han tingut un impacte important en el sector farmacèutic i sanitari. El paradigma de la indústria 4.0 engloba els canvis en el model de producció tradicional de la indústria farmacèutica amb la inclusió de tecnologies que van més enllà de l'automatització tradicional. L'objectiu principal és aconseguir fàrmacs més rendibles mitjançant la incorporació òptima de tecnologies com l'analítica avançada. El procés de fabricació de les indústries farmacèutiques té diferents etapes (mescla, assecat, compactació, recobriment, envasat, etc.) on una de les etapes més costoses energèticament és el procés d'assecat. L'objectiu d'aquest procés és extreure el contingut de líquids com l'aigua injectant aire calent i sec al sistema. Aquest temps de procediment d'assecat normalment està predeterminat i depèn del volum i del tipus d'unitats de producte farmacèutic que cal deshidratar. D'altra banda, la fase de preescalfament pot variar en funció de diversos paràmetres com l'experiència de l'operador. Per tant, podem assumir que una optimització d'aquest procés mitjançant analítiques avançades és possible i pot tenir un efecte significatiu de reducció de costos en tot el procés de fabricació. A causa de l'elevat cost de la maquinària implicada en el procés de producció de fàrmacs, és una pràctica habitual a la indústria farmacèutica intentar maximitzar la vida útil d'aquestes màquines que no estan equipats amb els darrers sensors. Així, es pot implementar un model d'aprenentatge automàtic que utilitza plataformes de analítiques avançades com la computació en núvol, per analitzar l'estalvi potencial del consum d'energia. Aquesta tesis està enfocada a millorar el consum d'energia en el procés de preescalfament d'un assecador de llit fluid, mitjançant la definició i implementació d'una plataforma IIOT (Industrial Internet of Things)-Cloud computing, per allotjar i executar un algorisme d'aprenentatge automàtic basat en el modelatge Catboost, per predir quan és el moment òptim per aturar el procés i reduir-ne la durada, i en conseqüència el seu consum energètic. Els resultats de l'experiment mostren que és possible reduir el procés de preescalfament en un 45% de la seva durada en temps i, en conseqüència, reduir el consum d'energia fins a 2.8 MWh anuals. / [EN] High energy costs, the constant regulatory measures applied by administrations to maintain low healthcare costs, and the changes in healthcare regulations introduced in recent years have all significantly impacted the pharmaceutical and healthcare industry. The industry 4.0 paradigm encompasses changes in the traditional production model of the pharmaceutical industry with the inclusion of technologies beyond traditional automation. The primary goal is to achieve more cost-efficient drugs through the optimal incorporation of technologies such as advanced analytics. The manufacturing process of the pharmaceutical industry has different stages (mixing, drying, compacting, coating, packaging, etc..), and one of the most energy-expensive stages is the drying process. This process aims to extract the liquid content, such as water, by injecting warm and dry air into the system. This drying procedure time usually is predetermined and depends on the volume and the kind of units of a pharmaceutical product that must be dehydrated. On the other hand, the preheating phase can vary depending on various parameters, such as the operator's experience. It is, therefore, safe to assume that optimization of this process through advanced analytics is possible and can have a significant cost-reducing effect on the whole manufacturing process. Due to the high cost of the machinery involved in the drug production process, it is common practice in the pharmaceutical industry to try to maximize the useful life of these machines, which are not equipped with the latest sensors. Thus, a machine learning model using advanced analytics platforms, such as cloud computing, can be implemented to analyze potential energy consumption savings. This thesis is focused on improving the energy consumption in the preheating process of a fluid bed dryer by defining and implementing an IIOT (Industrial Internet of Things) Cloud computing platform. This architecture will host and run a machine learning algorithm based on Catboost modeling to predict when the optimum time is reached to stop the process, reduce its duration, and consequently its energy consumption. Experimental results show that it is possible to reduce the preheating process by 45% of its time duration, consequently reducing energy consumption by up to 2.8 MWh per year. / Barriga Rodríguez, R. (2023). Optimization of Fluid Bed Dryer Energy Consumption for Pharmaceutical Drug Processes through Machine Learning and Cloud Computing Technologies [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195847

Tesis por compendio / [ES] El cambio climático es una de las amenazas de nuestro tiempo. Los gases de efecto invernadero, como el CO2, son los principales causantes de este fenómeno, siendo necesario disminuir urgentemente sus emisiones. En 2019, la Comisión Europa presentó el "Pacto Verde Europeo", que será clave para alcanzar un objetivo tremendamente ambicioso para nuestra región: la neutralidad climática de aquí a 2050. Las estrategias de descarbonización incluidas en su hoja de ruta van a implicar necesariamente la transición energética de los combustibles fósiles a las energías renovables, reduciendo de forma masiva la liberación de CO2. En este sentido, el desarrollo de tecnologías efectivas de Captura, Almacenamiento y Uso del Carbono (CAUC) permitirá la valorización del CO2, evolucionando hacia una economía de carbono circular. La presente Tesis Doctoral se enmarca en el diseño, síntesis y caracterización de sistemas catalíticos heterogéneos innovadores basados en metales capaces de transformar el CO2 en otros productos de valor añadido. Entre un amplio catálogo de reacciones que "conectan" el CO2 con diversos compuestos basados en carbono, esta Tesis se centrará principalmente en la síntesis de dos moléculas C1 plataforma de interés industrial: el metanol y el metano. Los Capítulos 3 y 4 están dedicados a la síntesis de metanol, un proceso exotérmico limitado termodinámicamente debido a la estabilidad inherente de la molécula de CO2, así como a la presencia de la reacción competitiva RWGS. Por un lado, el Capítulo 3 se centra en el efecto promotor del galio sobre las propiedades estructurales, electrónicas y catalíticas de materiales basados en Cu/ZnO (sistemas CZG). Mediante un enfoque espectroscópico-catalítico multidisciplinar se ha comparado el efecto promotor del Ga3+ dopado en la red de un ZnO tipo wurtzita presente en un catalizador Cu/ZnO/Ga2O3 con el de una fase de galato de zinc (ZnGa2O4). Por otro lado, en el Capítulo 4 se muestra un catalizador bifuncional que contiene nanopartículas de Cu de 2 nm y especies Cu+, con el objetivo de enfrentarse a la inherente baja actividad de estas pequeñas partículas, hecho que impide mejorar la eficiencia atómica de los catalizadores, dificultando así la obtención de resultados catalíticos competitivos en la hidrogenación de CO2. La realización de un estudio espectroscópico detallado (combinado con cálculo teórico y ensayos catalíticos) sobre un catalizador óxido mixto de Cu-Mg-Al derivado de un precursor de hidrotalcita tras calcinación y posterior reducción (CuHT-230) pone de manifiesto el papel clave de los iones Cu+ dopados en estructura en la producción de metanol. El éxito de las tecnologías CAUC a medio-largo plazo dependerá no solo del desarrollo de catalizadores competitivos, sino también de su capacidad para operar en condiciones de reacción más suaves, permitiendo que estos procesos sean viables económicamente. Por ello, el concepto de eficiencia energética se abordará en el Capítulo 5, a través de un innovador diseño de catalizador tipo "shell/core" formado por un núcleo de rutenio metálico y una envoltura de carburo de rutenio, sintetizado via hidrotermal. Este sistema (Ru@EDTA-20) exhibe una actividad excepcionalmente alta para la hidrogenación de CO2 a metano a bajas temperaturas (160-200 °C) con una selectividad a CH4 del 100%, superando a catalizadores de bibliografía que normalmente operan a mayores temperaturas (400-500 °C). Por último, en el Capítulo 6 se estudia un catalizador modelo compuesto por un alumino-silicato bidimensional sintetizado sobre una superficie de Ru(0001), investigación realizada durante mi estancia internacional en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York, EE.UU.). La combinación de estos materiales en el mismo composite permite la creación de un nanoespacio confinado que puede emplearse como nanorreactor. En este proyecto, se seleccionó la reacción de formación de agua como modelo, que se exploró a nivel fundamental en el sincrotrón NSLS-II. / [CA] El canvi climàtic és una de les amenaces del nostre temps. Els gasos d'efecte d'hivernacle, com el diòxid de carboni, són els principals causants d'aquest fenomen, sent necessari reduir urgentment les seues emissions. En 2019, la Comissió Europea va presentar el "Pacte Verd Europeu", que serà clau per a aconseguir un objectiu tremendament ambiciós per a la nostra regió: la neutralitat climàtica d'ací a 2050. Les estratègies de descarbonització incloses en el seu full de ruta implicaran necessàriament la transició energètica dels combustibles fòssils a les energies renovables, reduint de manera massiva l'alliberament de CO2. En aquest sentit, el desenvolupament de tecnologies efectives de Captura, Emmagatzematge i Ús del Carboni (CEUC) permetrà la valorització del CO2, evolucionant cap a una economia de carboni circular. La present Tesi Doctoral s'emmarca en el disseny, síntesi i caracterització de sistemes catalítics heterogenis innovadors basats en metalls capaços de transformar el CO2 en altres productes de valor afegit. Entre un ampli catàleg de reaccions que "connecten" el CO2 amb diversos compostos basats en carboni, aquesta Tesi se centrarà principalment en la síntesi de dues molècules C1 plataforma d'interés industrial: el metanol i el metà. Els Capítols 3 i 4 estan dedicats a la síntesi de metanol, un procés exotèrmic limitat degut tant a l'estabilitat inherent de la molècula de CO2 com a la presència de la reacció competitiva RWGS. D'una banda, el Capítol 3 se centra en l'efecte promotor del gal·li sobre les propietats estructurals, electròniques i catalítiques de materials basats en Cu/ZnO (sistemes CZG). Mitjançant un enfocament espectroscòpic-catalític multidisciplinari s'ha comparat l'efecte promotor del Ga3+ dopat en la xarxa d'un ZnO (wurtzita) present en un catalitzador Cu/ZnO/Ga2O3 amb el d'una fase de ZnGa2O4. D'altra banda, en el Capítol 4 es mostra un catalitzador bifuncional que conté nanopartícules de Cu de 2 nm i espècies Cu+, amb l'objectiu d'enfrontar-se a la inherent baixa activitat d'aquestes petites partícules, fet que impedeix millorar l'eficiència atòmica dels catalitzadors, dificultant així l'obtenció de resultats catalítics competitius en la hidrogenació de CO2. La realització d'un estudi espectroscòpic detallat (combinat amb càlcul teòric i assajos catalítics) sobre un catalitzador òxid mixt de Cu-Mg-Al derivat d'un precursor de hidrotalcita després de calcinació i posterior reducció (CuHT-230) posa de manifest el paper clau dels ions Cu+ dopats en estructura en la producció de metanol. L'èxit de les tecnologies CEUC a mig-llarg termini dependrà no solament del desenvolupament de catalitzadors competitius, sinó també de la seua capacitat per a operar en condicions de reacció més suaus, permetent que aquests processos siguen viables econòmicament. Per això, el concepte d'eficiència energètica s'abordarà en el Capítol 5, a través un innovador disseny de catalitzador tipus "shell/core" format per un nucli de ruteni metàl·lic i un embolcall de carbur de ruteni, sintetitzat mitjançant tractament hidrotermal. Aquest sistema (Ru@EDTA-20) exhibeix una activitat excepcionalment alta per a la hidrogenació de CO2 a metà a baixes temperatures (160-200 °C) amb una selectivitat a CH4 del 100%, superant a catalitzadors de bibliografia que normalment operen a majors temperatures (400-500 °C). Finalment, en el Capítol 6 s'estudia un catalitzador model compost per un alumino-silicat bidimensional sintetitzat sobre una superfície de Ru(0001), investigació realitzada durant la meua estada internacional en el Laboratori Nacional de Brookhaven (Nova York, els Estats Units). La combinació d'aquests dos materials en el mateix "composite" permet la creació d'un nano-espai confinat que pot emprar-se com nano-reactor. En aquest projecte, es va seleccionar la reacció de formació d'aigua com a model, que es va explorar a nivell fonamental en el sincrotró NSLS-II. / [EN] Climate change is one of the existential threats of our times. Greenhouse gases (GHG), such as carbon dioxide, are primary drivers of this phenomenon, and their emissions need to be urgently reduced. In 2019, the European Commission presented the European Green Deal, which will help the EU to attain an ambitious goal for our region: to become carbon-neutral by 2050. The decarbonization strategies included in the roadmap towards net-zero emissions will imply the energy transition from fossil fuels to renewable energies, with a massive reduction of CO2 deliverance. In this sense, the development of effective Carbon Capture and Storage (CCS) and Carbon Capture and Utilization (CCU) technologies will allow the valorization of CO2, evolving into a circular carbon economy. The present Doctoral Thesis focuses on the design, synthesis and characterization of innovative heterogeneous metal-based systems, which are able to transform CO2 into value-added products. Among a wide catalogue of reactions that "connects" CO2 with various carbon-based compounds, this thesis will be devoted to the synthesis of two C1 platform chemicals of industrial interest: methanol and methane. Chapters 3 and 4 are dedicated to methanol synthesis, a highly hampered exothermic process due to the inherent stability of the CO2 molecule and the presence of the competitive reverse water-gas shift reaction (RWSG). On the one hand, Chapter 3 is focused on the promoting effect of gallium on the structural, electronic, and catalytic properties of Cu/ZnO based materials (CZG systems). In particular, the promoting effect of Ga3+-doped in the wurtzite ZnO lattice of a Cu/ZnO/Ga2O3 catalyst is compared to that of a zinc gallate (ZnGa2O4) phase following a multimodal spectroscopic-catalytic approach. In Chapter 4, a bifunctional catalyst containing 2 nm Cu nanoparticles and Cu+ species is presented, to overcome the "assumed" low activity of small copper particles that prevents obtaining high atom efficiency and competitive catalytic results in the CO2 hydrogenation to methanol. A detailed spectroscopic study (combined with theoretical calculations and catalytic tests) performed on a Cu-Mg-Al mixed oxide catalyst derived from a hydrotalcite precursor by calcination and further reduction (CuHT-230) highlights the key role of doped Cu+ ions in methanol production. The success of CCU technologies in the medium-long term will depend not only on the development of competitive catalysts but also on their ability to operate under milder reaction conditions, which will make these processes economically viable. Consequently, the energy efficiency issue will be addressed in Chapter 5 with the innovative design of a core-shell structure formed by a core of metallic ruthenium and a shell of ruthenium carbide, synthesized via hydrothermal treatment. This catalyst (Ru@EDTA-20) exhibits exceptional high activity for CO2 hydrogenation to methane (Sabatier reaction) at low temperatures (160-200 °C) with 100% selectivity to CH4, outperforming the state of the art catalysts operating at 400-500 °C. Finally, Chapter 6 covers the investigation carried out on a model ruthenium-based catalyst composed of a 2D-bilayered aluminosilicate grown over a Ru(0001) surface during my international short-term stay at Brookhaven National Laboratory (New York, USA). The combination of these materials in a composite allows the creation of a confined nano-space that can be exploited as a nano-reactor. In this project, water formation reaction (WFR) was selected as model reaction, which was fundamentally explored at NSLS-II synchrotron. / Cored Bandrés, J. (2022). Innovative Design of Heterogeneous Catalysts with Improved CO2 Hydrogenation Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182403 / Compendio