Ruta simple para la activación de arcillas naturales, estructuradas en forma de monolitos integrales,

extruidos en forma de panal de abeja, mediante la modificación de sus propiedades texturales.Se propone un método simple para activar monolitos de arcillas naturales en forma de panal de abeja que consiste en mezclar la arcilla con carbón antes de la extrusión para posteriormente quemar el carbón del monolito mediante calcinación al aire a temperaturas moderadas.Se mejoran las propiedades texturales de la arcilla, y en consecuencia su capacidad adsorbente, sin modificar su estructura de partida de forma significativa e incluso aumentando ligeramente la resistencia mecánica respecto a los mismos monolitos de arcilla que no han sido dopados

Ruta simple para la activación de arcillas naturales, estructuradas en forma de monolitos integrales, extruidos en forma de panal de abeja, mediante la modificación de sus propiedades texturales.

Dominio de la técnica

La invención es de aplicación en el desarrollo comercial de filtros en forma de monolitos de tipo de panal de abeja obtenidos a partir de arcillas naturales para su uso en general como adsorbente, siendo en especial de interés como tecnología de protección medioambiental, fundamentalmente en el tratamiento de efluentes contaminados tanto en fase gaseosa como líquida.

Estado anterior de la técnica

Como muchos autores creen (ver, por ejemplo, Bergaya, F. et al. en Developments in Clay Science, Vol. I., Handbook of Clay Science, Elsevier, Ámsterdam, 2006) las arcillas y los minerales arcillosos en general, tanto en su estado natural como después de ser modificados, serán reconocidos en el futuro como los materiales del siglo XXI porque son abundantes, baratos y respetuosos con el medioambiente. Se han utilizado clásicamente dos procedimientos para modificar las arcillas naturales con el objeto de optimizar sus propiedades de aplicación en tecnologías de protección medioambiental: la activación ácida y el tratamiento térmico (ver, por ejemplo, Korichi, S. et al. en Applied Clay Science, en prensa; Jozefaciuk, G. et al. en Applied Clay Science, en prensa; Woumfo, D. et al. en Applied Clay Science; vol. 37, pág. 149-156, 2007; Christidis, G.E. et al. en Applied Clay Science; vol. 12, pág. 329-347, 1997; y Imtiaz, A.P. et al. en Journal of Chilean Chemical Society; vol. 52(2), pág. 1126-1129, 2007). Sin embargo, ambos presentan inconvenientes. El primero implica el manejo de soluciones ácidas, típicamente HCl o H₂SO₄, con el inherente riesgo y coste especialmente cuando se emplean a escala industrial; el segundo no sólo conlleva cambios en la composición de las arcillas sino que, cuando se realiza por encima de ciertas temperaturas, puede inducir efectos indeseables al conducir a una completa e irreversible modificación de su estructura (ver, por ejemplo, Heller-Kallai, L. en Developments in Clay Science, Vol. I., Handbook of Clay Science, Elsevier, Ámsterdam, 2006) con la consiguiente pérdida de las propiedades químicas de interés. Es más, recientes estudios sobre bentonitas (ver, por ejemplo, Tyagi, B. et al. en Spectrochimica Acta Part A; vol. 64, pág. 273-278, 2006; Wu, P. et al. en Spectrochimica Acta Part A; vol. 63, pág. 85-90, 2006; y Foletto, E.L. et al. en Latin American Applied Reasearch; vol. 36, pág. 37-40, 2006) demuestran que incluso la activación ácida genera modificaciones estructurales más allá de simples cambios texturales. Otro método de activación más reciente es el "pilareado", pero éste es un proceso mucho más elaborado y costoso ya que implica la intercalación de especies catiónicas que actúan como pilares que mantienen separadas las capas del mineral arcilloso. Un calentamiento posterior da lugar a un material permanentemente poroso, útil para catálisis orgánica y otras aplicaciones medioambientales (ver, por ejemplo, Volzone, C. en Applied Clay Science; vol. 36, pág. 191-196, 2007).

Merece la pena destacar también que, a pesar de la diversidad de estructuras y propiedades de las arcillas, su amplio rango de aplicaciones y la extensa bibliografía dedicada a los minerales arcillosos, sorprende la falta de estudios en los que se utilizan en forma de monolitos de panal de abeja, un diseño tecnológico que ofrece notables ventajas como evitar las limitaciones por pérdidas de carga (ver, por ejemplo, Heck, R. M. et al. en Catalytic Air Pollution Control: Commercial Technology. John Wiley & Sons, New York, 2002), especialmente cuando se emplean adsorbentes en el tratamiento de grandes volúmenes de efluentes contaminados (ver, por ejemplo, Yates, M. et al. en Microporous and Mesoporous Materials; vol. 65, pág. 219-231, 2003). Con este fin, las arcillas se utilizan habitualmente en forma de lechos de adsorción que limitan mucho su rango de aplicación (ver, por ejemplo, Hamdi, N. et al. en Electrical Processes in Engineering and Chemistry; vol. 44(2), pág. 146-153, 2008) y en los escasos estudios donde la arcilla aparece en monolitos en forma de panal de abeja simplemente lo hacen como aditivos para la extrusión de materiales carbonosos (ver, por ejemplo, Yates et al. en Studies in Surface Science and Catalysis; vol. 144, pág. 569-576, 2002; y Gatica, J.M. et al. en Comptes Rendus Chimie; vol. 9, pág. 1215-1220).

En trabajos previos hemos demostrado que la extrusión de arcillas naturales no sólo es posible sino que además permite obtener filtros con potencial aplicación en la adsorción de Compuestos Orgánicos Volátiles (VOCs), como, por ejemplo, o-xileno (ver, por ejemplo, Harti, S. et al. en Applied Clay Science; vol. 36, pág. 287-296, 2007). Asimismo, hemos probado que para algunas arcillas naturales la extrusión es posible incluso sin aditivos lo que da un valor añadido a estos materiales ya que su simple procesado representa una significativa reducción de costes, no sólo en términos de ahorro en aditivos químicos sino también de energía necesaria para su posterior eliminación mediante tratamientos térmicos (ver, por ejemplo, y Chafik, T. et al. en ES Patent P200601272 extended under PCT WO2007/135212 A1).

Por tanto, es de interés proponer un método sencillo y económico, de un lado, y respetuoso con las propiedades físico-químicas del material, de otro, para activar monolitos integrales de arcillas naturales en forma de panal de abeja que resulte competitivo con los métodos de activación ya existentes, apoyando aún más si cabe al concepto de desarrollo sostenible que la utilización de esta materia prima representa de por sí en comparación con otros materiales habitualmente empleados. En este sentido, proponemos mezclar la arcilla con un carbón natural antes de su extrusión para posteriormente quemar el carbón del monolito resultante mediante un tratamiento de calcinación al aire a la más baja temperatura posible. Aunque ciertamente en el capítulo de patentes no faltan referencias en las que se preparan monolitos cerámicos dopados con carbón con interesantes propiedades mecánicas y capacidad de adsorción (ver, por ejemplo, Mitchell, R.L. et al. en US Patent 2008/0132408 A1; y Park, M. et al. en US Patent 5,914,294, 1999) estos trabajos se diferencian en que emplean aditivos para la extrusión, además de carbón activado o negro de carbón (materiales no naturales y por tanto más costosos) como reactivo necesitando un posterior tratamiento térmico muy severo (por encima de los 1000ºC y en atmósfera inerte). El uso de aditivos así como el tipo de carbón utilizado y la función de éste en el material final obtenido marcan, por tanto, una diferencia. La orginalidad de nuestra propuesta radica en el procedimiento ideado para la activación del monolito integral de arcilla en forma de panal de abeja.

Explicación de la invención

Se propone una arcilla natural denominada ARGI-2000, procedente de yacimientos localizados en el este de España y que ha sido proporcionada por VICAR S.A. en forma de polvo con un tamaño de grano de 100 micras y una composición nominal de 57% SiO₂, 28.4% Al₂O₃, 1% Fe₂O₃, 1.5% TiO₂, 0.5% CaO, 2.5% K₂O, 0.5% MgO, 0.3% Na₂O y 7.8% de cenizas sin determinar (porcentajes en peso). Su análisis posterior mediante difracción de rayos X confirma que esta arcilla contiene diversos minerales: cuarzo, illita-moscovita, montmorillonita, caolinita y anatasa. Desde el punto de vista elemental, el análisis químico mediante Espectroscopia de Energía Dispersiva (EDS) revela que la composición media de la arcilla (% en peso) es O (49,1%), Si (27,7%), Al (13,3%), C (5,4%), K (2,0%), Ti (0,9%), Fe (0,8%), Mg (0,6%) y Ca (0,3%).

Además se ha utilizado un carbón natural de tipo medio volátil bituminoso suministrado por el Instituto Nacional del Carbón en España (INCAR) que contenía 30% de volátiles y menos de 6% de cenizas (porcentajes en peso), y un 75% en volumen de fase vitrinita en su composición maceral. Su análisis elemental realizado en un determinador Leco CHNS-932 proporcionó la siguiente composición en peso: C: 83,8%, H: 5,4%, N: 2,0% y S: 0,5%. Antes de cualquier uso, dado que el carbón original presentaba un tamaño medio de partícula elevado (3 mm), se molió y tamizó hasta convertirlo en granos de diámetro inferior a 250 micras.

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1. Ruta simple para la activación de arcillas naturales, estructuradas en forma de monolitos integrales, extraídos en forma de panal de abeja, mediante la modificación de sus propiedades texturales, caracterizada por comprender los siguientes pasos: