PROCEDIMIENTO PARA LA REGENERACION DE MATERIALES CARBONOSOS ADSORBENTES CON VAPOR DE AGUA.

Procedimiento para la regeneración de materiales carbonosos adsorbentes con vapor de agua.

Procedimiento para la regeneración de materiales carbonosos adsorbentes basado en la reacción de gasificación con vapor de agua de las sustancias adsorbidas por dichos materiales, usando temperaturas superiores a 550°c y una presión de entre 25 y 175 bares. La invención también se refiere a un sistema para llevar a cabo dicho procedimiento

Procedimiento para la regeneración de materiales carbonosos adsorbentes con vapor de agua.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la regeneración de materiales carbonosos adsorbentes ya agotados, basado en la reacción de degradación con vapor de agua, a presión moderada, de los contaminantes retenidos.

Estado de la técnica anterior

El carbón activado es un material carbonoso, altamente poroso, con un área superficial elevada y unas propiedades adsorbentes excepcionales; generalmente, el tamaño de poro es muy pequeño (microporos con diámetros menores de 2 nm).

El material carbonoso del que está constituido tiene una densidad real próxima a 2 g/cm³, sin embargo, dada la gran porosidad, presenta una densidad aparente entre 0,5-0,6 g/cm³.

Se fabrica a partir de una gran variedad de materiales ricos en carbono, como: madera, cáscara de coco y de otros frutos, huesos de aceituna y de otros frutos, así como carbón mineral (turba, lignito, hulla y antracita). El material de partida condiciona las propiedades del carbón activado que se obtiene, sobre todo la porosidad y la dureza.

El carbón activado tiene múltiples aplicaciones ya que es capaz de retirar prácticamente cualquier compuesto orgánico que se encuentre en fase gaseosa o líquida. Actualmente se utiliza en muchas industrias, pero es el tratamiento de aguas de consumo humano y de aguas residuales las que más lo demandan.

Durante el proceso de regeneración el carbón agotado se somete a aquellas condiciones en las que se altera el equilibrio de adsorción en favor de la desorción. Este desplazamiento del equilibrio se puede conseguir por procedimientos muy diversos, tales como: elevando la temperatura, cambiando el equilibrio de ionización ácido-base, extrayendo las sustancias retenidas con disolventes apropiados, etc. En general los procedimientos de regeneración se pueden clasificar en tres grandes grupos: métodos térmicos, químicos y biológicos. De todos ellos, el incremento de temperatura es el que permite una mayor rapidez y eficacia en la desorción, por esta razón la regeneración térmica es el procedimiento más habitual, aunque hoy en día están surgiendo otros métodos que proporcionan buenos resultados.

Uno de estos métodos es la regeneración con vapor en que el carbón agotado se somete a la acción del vapor de agua a temperaturas de entre 160-240ºC, a presión atmosférica. En estas condiciones, el vapor de agua eleva rápidamente la temperatura del carbón y favorece la desorción. Además al enfriarse, el vapor de agua condensa y se adsorbe sobre la superficie del carbón, desplazando los compuestos adsorbidos, con lo que se mejora el proceso de desorción.

Es un método de regeneración especialmente diseñado para la recuperación de carbones usados en la eliminación de disolventes orgánicos. Su eficacia en este campo es alta, aunque está fuertemente condicionada por la cantidad de vapor utilizado. Para otros carbones contaminados con otros compuestos la eficacia es bastante menor y en todos los casos tiene el inconveniente de que las sustancias retenidas no son destruidas durante el proceso quedando en libertad.

Otro de los métodos de regeneración está basado en la desorción térmica de los compuestos retenidos por el carbón activado, usando agua líquida en condiciones subcríticas, es decir, a temperaturas y presiones menores que las del punto crítico (punto crítico del agua: temperatura crítica: 374,10ºC y presión crítica: 223,7 bar) a la que se ha eliminado el oxígeno disuelto (Salvador, F. y Sánchez Jiménez, C., 1996, Carbon, 34 (4), 511-516). El agua líquida en estas condiciones es capaz de desorber y/o extraer los contaminantes que se encuentran adsorbidos en el carbón activado. De este modo, se consigue recuperar la capacidad de adsorción original del carbón. Los principales inconvenientes de este método son que requiere el empleo de altas presiones y elevado consumo de agua, resultando muy difícil la recuperación de la microporosidad más pequeña. Por otro lado, los contaminantes no son destruidos, quedando en libertad.

Otro método más es la regeneración con agua supercrítica de materiales carbonosos adsorbentes (ES2127113 A1). En este procedimiento el carbón agotado se regenera mediante el tratamiento con agua supercrítica, es decir con agua que se encuentra a una temperatura y una presión superiores a las de su punto crítico. El agua en estas condiciones es un fluido capaz de arrancar o extraer de la superficie del carbón agotado los compuestos allí retenidos. El procedimiento de regeneración se completa con la destrucción de los contaminantes desorbidos mediante la adición de un oxidante a la corriente de agua supercrítica después de atravesar el lecho de carbón.

La regeneración con agua supercrítica es muy eficaz, requiere tiempos de tratamiento muy cortos y temperaturas menores de 600ºC. El consumo de agua es moderado y está estrechamente relacionado con la eficacia de la regeneración.

Sin embargo, tiene el inconveniente de que al utilizar presiones muy altas, mayores de 250 bar, y temperaturas elevadas, las instalaciones son muy costosas y de difícil manejo. Además la destrucción total del contaminante desorbido exige un tratamiento posterior de oxidación. Ese tratamiento origina problemas de corrosión en las instalaciones, exigiendo el empleo de materiales especiales que encarecen el proceso.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de regeneración de materiales carbonosos adsorbentes, tales como carbones activados y fibras de carbón activadas, mediante su tratamiento con vapor de agua a temperaturas preferiblemente superiores a 600-625ºC y presiones moderadas en torno a 75 bar (7,5.10⁶ Pa).

Mediante la invención se simplifica el procedimiento de regeneración con respecto a los procedimientos anteriores conocidos por un experto en la materia, con el objetivo de su viabilidad a escala industrial.

En estas condiciones la regeneración se produce fundamentalmente porque el contaminante (en la mayoría de los casos compuestos orgánicos) se destruye mediante un proceso de gasificación debido a la acción hidrolítica del agua a alta temperatura:

Esta descomposición puede ocurrir estando adsorbido el contaminante sobre la superficie del carbón. Lo que facilita su eliminación de la superficie, acelerando así la regeneración del adsorbente.

También puede ocurrir que la alta temperatura facilite la desorción del contaminante sin descomponerlo, produciéndose la descomposición una vez que ha abandonado la superficie.

El carbón activado también puede ser atacado por el agua gasificándolo:

Sin embargo, este ataque es mucho más lento y sólo ocurre si la temperatura es muy alta. Estudios realizados en el laboratorio ponen de manifiesto que a 625ºC los contaminantes se gasifican rápidamente, mientras que el carbón activado lo hace muy lentamente. Según estos estudios, con un tiempo de tratamiento de 5-7 minutos se puede conseguir un 95-100% de la regeneración. Sin embargo, durante este tiempo la cantidad de carbón gasificado es despreciable. Así pues, seleccionando la temperatura se puede conseguir la degradación de los contaminantes sin producir pérdidas de masa en el carbón activado.

La presión utilizada es la presión mínima necesaria para que el vapor de agua penetre en la porosidad más fina del carbón y lo regenere. Por tanto, la presión también es un factor clave en el proceso de regeneración al favorecer la penetración del agua en la estructura microporosa del carbón. Los estudios demuestran que con una presión de aproximadamente unos 75 bar es suficiente para que el vapor de agua entre en toda la estructura porosa de la mayoría de los carbones activados comerciales y los regenere. Sin embargo, presiones inferiores podrían ser suficientes para aquellos carbones que tuvieran una microporosidad muy ancha y presiones superiores serían necesarias para regenerar carbones ultramicroporosos. Estos dos últimos tipos de carbones son muy poco...

1. Procedimiento para la regeneración de materiales carbonosos adsorbentes mediante una reacción de gasificación de los contaminantes retenidos en dichos materiales y que comprende su tratamiento con vapor de agua a una temperatura superior a 550ºC y a una presión de entre 25 y 175 bares.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la temperatura utilizada es de entre 600ºC y 625ºC.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde la presión utilizada es de entre 50 y 100 bares.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, donde la presión utilizada es de unos 75 bar.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde los contaminantes desorbidos térmicamente además se degradan en el mismo procedimiento.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el material carbonoso es carbón activado.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el material carbonoso es una fibra de carbón activado.

8. Sistema de regeneración de materiales carbonosos adsorbentes con vapor de agua caracterizado porque comprende:

- un reactor (10) tubular y vertical que comprende: