Establecer una cota global a las emisiones de gases de efecto invernadero ha sido imposibilitado
por la complejidad que conlleva demostrar los efectos de la contribución humana al efecto
invernadero. Para alcanzar un desarrollo sostenible es necesario, primero limitar y en lo posible
eliminar las emisiones de dichos gases a la atmosfera. En este contexto, la adsorción de gases se
ha establecido como una de las alternativas más efectivas a mediano plazo para la reducción de
emisiones de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, en esta tesis, el objetivo principal es
estudiar a nivel molecular la adsorción de gases de efecto invernadero y comprender mejor la
interacción entre las distintas variables que afectan el proceso de captura.
En la primera parte de esta tesis se estudió, la separación de una mezcla de hexafluoruro de
azufre (SF6) y nitrógeno (N2). El SF6 se emite en pequeñas cantidades, sin embargo por ser un
potente gas de efecto invernadero con un tiempo de vida extremadamente alto se requiere un
control estricto de sus emisiones. En este trabajo se estudió, empleando modelos simples, el
efecto del tamaño de poro, la presión y la composición de la mezcla en la separación selectiva
del SF6. Posteriormente, se realizaron simulaciones con modelos realistas de dos carbonos
réplicas de zeolitas y se encontró que la selectividad predicha para el SF6 en dichos materiales es
superior a la de los materiales previamente reportados en la literatura.
En la segunda parte del trabajo se estudió el uso de estos materiales de carbono para la captura
de dióxido de carbono (CO2) a temperatura ambiente, y se encontró que su capacidad de
captura de CO2 a altas presiones es comparable a la de los mejores adsorbentes de CO2
reportados. Para comprender mejor la captura en los carbonos réplicas de zeolitas, se
emplearon simulaciones moleculares para obtener información acerca de su compleja
estructura interna y predecir las interacciones del CO2 con el interior de estos materiales.
En la parte final de esta tesis se estudiaron materiales híbridos organo-inorgánicos, en
particular, adsorbentes de sílica funcionalizados con grupos amino. Se desarrolló una nueva
metodología de simulación para la generación de materiales de sílica funcionalizados con
cadenas orgánicas y el cálculo de sus propiedades de adsorción. La metodología se evaluó
empleando modelos de sílica gel y MCM-41 funcionalizados con diferentes cadenas orgánicas,
comparando los resultados de las simulaciones de las isotermas de adsorción y la densidad de
funcionalización con datos experimentales. Simultáneamente, se desarrolló un nuevo método
que permite calcular adicionalmente a la fisisorción la quimisorción del CO2 en las aminas
empleando simulaciones moleculares.
En resumen, esta tesis de doctorado resalta diferentes posibilidades para la captura y
separación de gases de efecto invernadero y proporciona nuevas herramientas de simulación
para evaluar y optimizar sistemas de captura de gases. Esta tesis se enmarca dentro de la ciencia
de materiales y muestra como la investigación básica en este campo puede ser usada como una
herramienta para evaluar y optimizar procesos industriales. / The establishment of a global limit on the emissions of greenhouse gases has been hindered by
the complexity to prove the effects of manmade greenhouse gases on a global scale. In order to
achieve a sustainable development it is important to limit, and when possible eliminate,
emissions of industrial greenhouse gases to the atmosphere. In this context, adsorption has
been established as one of the best cost-effective means of reducing emissions of greenhouse
gases in the short-term. Thus, in this thesis, the main objective is to study at a molecular level
the adsorption of greenhouse gases and to obtain a better insight into the capture processes for
their future optimization.
Molecular simulations are used in order to find the optimal diameter for the separation of
sulfur hexafluoride (SF6) from nitrogen (N2); this mixture is commonly used in electrical
applications. SF6 is typically emitted in small quantities, but because it is a potent greenhouse
gas and possesses extremely long lifetimes, there is a pressing need for a strict control of its
emissions. The effect of pore size, pressure, and mixture compositions on the selective
adsorption of SF6 was investigated using simple models. Subsequently, simulations using two
atomistic models of zeolite templated carbons were performed. The separation selectivities
compared favorably to the materials previously reported for the separation of this mixture.
Moreover, the potential use of these two templated carbon materials to capture carbon
dioxide (CO2) at room temperature is reported. Their high-pressure CO2 adsorption
isotherms are among the highest carbon capture capacity for carbonaceous materials and are
comparable to the best CO2 adsorbing materials. In addition, the simulated adsorption
isotherms were used to obtain new insights into the adsorption process of the templated
carbons.
In the final part of the thesis hybrid organic-inorganic adsorbents were studied. For CO2
capture, solid adsorbents are functionalized with amino groups that largely increase their
adsorption capabilities. However, the underlying mechanism of the adsorption process in the
functionalized materials is not fully understood, limiting the possibility of designing optimal
adsorbent materials for different applications. The adsorption of CO2 in aminefunctionalized
silica materials was studied using Monte Carlo molecular simulations. A
simulation methodology for the design of functionalized silica materials was proposed. The
methodology was evaluated using models of silica gel and MCM-41 functionalized with
different organic groups, comparing the resulting adsorption isotherms and grafting density to
available experimental data. Furthermore, a new scheme that allows accounting for the
chemisorbed CO2 on the adsorption isotherms is presented
In summary, this PhD thesis highlights different possibilities for the capture and separation of
greenhouse gases and provides new tools for evaluating and optimizing capture systems.
Finally, this dissertation shows the use of basic research in Materials Science as an established
tool for evaluating and optimizing thermodynamics of engineering processes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/83951 |
| Date | 12 March 2012 |
| Creators | Builes Toro, Santiago |
| Contributors | Vega Fernández, Lourdes, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 207 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
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