Métodos electroquímicos de adsorción de contaminantes y regeneración en materiales porosos.

Métodos electroquímicos de adsorción de contaminantes y regeneración de materiales porosos.

La presente invención se refiere a un procedimiento de regeneración electroquímica en un solo paso de materiales porosos carbonosos saturados con contaminantes y, una vez desorbido el contaminante, su transformación electroquímica en disolución. Este procedimiento electroquímico además puede utilizarse "in situ", es decir, en el mismo sitio donde se produce la saturación del material poroso y presenta una doble función, por un lado regenera el material poroso para poder usarlo nuevamente y, por otro, trata al contaminante para minimizar el impacto ambiental. Además, la presente invención puede utilizarse para aumentar la capacidad de adsorción de los materiales porosos o la velocidad de adsorción de los contaminantes, aplicando el fenómeno denominado "electroadsorción".

MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS DE ADSORCIÓN DE CONTAMINANTES Y REGENERACIÓN EN MATERIALES POROSOS

La presente invención se refiere a un procedimiento de regeneración electroquímica en un solo paso de materiales porosos carbonosos saturados con contaminantes y, una vez desorbido el contaminante, su transformación electroquímica en disolución. Este procedimiento electroquímico además puede utilizarse in situ, es decir, en el mismo sitio donde se produce la saturación del material poroso y presenta una doble función, por un lado regenera el material poroso para poder usarlo nuevamente y, por otro, trata al contaminante para minimizar el impacto ambiental. Además, la presente invención puede utilizarse para aumentar la capacidad de adsorción de los materiales porosos o la velocidad de adsorción de los contaminantes, aplicando el fenómeno denominado electroadsorción.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El acelerado crecimiento demográfico, junto con el importante desarrollo tecnológico alcanzado en las últimas décadas, han sido las principales causas del aumento de la contaminación y de la alteración del medio ambiente. En este sentido, la escasez y menor disponibilidad de agua se han acentuado en los últimos años. Para intentar paliar este problema, se han construido un gran número de plantas potabilizadoras, desalinizadoras, así como empresas encargadas de su explotación y gestión que han implantado nuevas tecnologías en el tratamiento de la contaminación. Dentro de los sistemas de depuración de aguas, la tecnología de adsorción mediante carbón activado (CA) está catalogada como una de las mejores, según la US Environmental Protection Agency. Esta tecnología permite eliminar compuestos orgánicos e inorgánicos de efluentes acuosos, tanto en fase líquida como en fase gaseosa.

Las características fundamentales en las que se basan las aplicaciones del carbón activado son dos: (i) elevada capacidad de adsorción debida a su alta superficie interna y (ii) baja selectividad de retención. El carbón activado muestra una escasa especificidad ante un proceso de adsorción por lo que se puede considerar como un adsorbente universal. Sin embargo, por su naturaleza apolar y por el tipo de fuerzas que intervienen en el proceso de adsorción, retendrá preferentemente moléculas apolares de elevado volumen molecular. El carbón activado es, además, un adsorbente muy versátil, ya que tanto el tamaño y la distribución de los poros como la química superficial pueden ser controlados para satisfacer un amplio abanico de necesidades.

La excepcional capacidad de adsorción del carbón activado lo hace indispensable en multitud de procesos que se llevan a cabo diariamente. Por esta razón, la producción y consumo de carbón activado ha experimentado un gran aumento en los últimos años. Por consiguiente, la viabilidad real de la tecnología de adsorción con carbón activado depende en gran medida de la reactivación y reutilización del carbón activado utilizado.

Actualmente existen diversos métodos para regenerar un material poroso como es el carbón activado (Doniat et al. US 4,217,191). La regeneración de carbón activado (parcial o totalmente saturado con contaminantes), como material que ha sido previamente utilizado y/o agotado y que, por tanto, no puede continuar proporcionando las prestaciones deseadas, es el proceso a través del cual se favorece la desorción y/o eliminación de las especies retenidas para devolverle sus propiedades, normalmente su capacidad de adsorción, y/o funcionalidad en una aplicación dada. En el caso de los carbones activados empleados para la adsorción de contaminantes, el objetivo de la regeneración es devolver al material adsorbente saturado su capacidad de adsorción original pero con la mínima alteración posible de sus propiedades químicas, físicas o texturales.

Los métodos de regeneración del carbón activado se caracterizan porque son caros y/o poco efectivos. Entre ellos, el más utilizado es la regeneración térmica, en atmósfera inerte o en condiciones oxidantes. Se trata de un método que consigue una elevada eficiencia (85-90%) de regeneración, pero que posee los siguientes inconvenientes:

- El proceso de regeneración térmica del carbón activado no se lleva a cabo in situ, sino que éste ha de ser transportado hasta el equipo donde se lleva a cabo su regeneración térmica.

- El coste energético del proceso de regeneración térmica es elevado, ya que precisa de altas temperaturas (600-1000 °C).

- Durante el proceso de regeneración térmica se producen pérdidas de entre un 5 y un 20% de carbón activado, liberación de gases contaminantes y cambios en las propiedades del carbón activado.

Este proceso de regeneración térmica supone unas consecuencias medioambientales inconcebibles en la actualidad, por lo que sería necesario disponer de un procedimiento rápido y sencillo para regenerar el carbón activado empleado para la adsorción de contaminantes que no presentara estas desventajas de los procedimientos actuales.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con el objetivo de superar las limitaciones anteriormente descritas, se presenta a continuación un nuevo procedimiento para la regeneración de materiales porosos saturados con contaminantes, basado en la electroquímica.

Se entiende como material poroso saturado con contaminantes como cualquier material poroso que se utilice en el tratamiento de contaminantes.

Así, podemos considerar los carbones activados en todas sus disposiciones (granulares, en tela, fieltros, etc.) así como zeolitas y arcillas.

De modo general, en la regeneración electroquímica se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos mediante una fuente de corriente continua, lo que provoca una polarización del material poroso. Esta polarización afecta a las interacciones entre las especies retenidas y el material poroso, modificando el equilibrio de adsorción de estas especies. Según la naturaleza de las especies retenidas, el pH del medio, entre otros factores, se puede favorecer la desorción de las especies, con la consiguiente regeneración completa del material poroso usado saturado con contaminantes, de un modo suave, sencillo y económico. Además, una vez desorbido el contaminante en disolución, éste puede ser eliminado o transformado mediante oxidación ó reducción electroquímica, transformándolo en otros compuestos menos tóxicos o incluso eliminándolo de la disolución por la formación de CO2 y H2O si se trata de un compuesto orgánico.

Además, otra de las posibilidades de los tratamientos electroquímicos es aplicar una diferencia de potencial y así favorecer el proceso de adsorción, mejorando la cantidad adsorbida del contaminante en disolución o bien mejorando la cinética del proceso de adsorción.

Por tanto, los métodos electroquímicos son muy versátiles y permiten tanto la regeneración del carbón activado al término de su vida útil como la transformación del contaminante en un solo paso. O bien, también se puede producir el aumento del rendimiento en el proceso de adsorción mediante la aplicación de una diferencia de potencial.

Este nuevo procedimiento en un solo paso de regeneración electroquímica y tratamiento electroquímico presenta destacables ventajas económicas, tecnológicas y medioambientales frente a la regeneración térmica anteriormente descrita, tales como:

1) El procedimiento de regeneración electroquímica permite la regeneración del carbón activado en el mismo punto donde se está utilizando (regeneración in-situ), sin necesidad de transportarlo a otro dispositivo. El equipo que se utiliza es sencillo y barato, proporciona un control del proceso en todo momento (su respuesta está en el rango de los segundos) y permite obtener elevadas eficiencias de regeneración, similares a las de la regeneración térmica.

2) Esta tecnología electroquímica permite regenerar carbones activados o materiales porosos con diferente configuración (telas de carbón activado, fieltros de carbón activado, carbones activados granulares, etc.)

3) En este procedimiento de regeneración electroquímica se trabaja a temperatura ambiente y presión atmosférica. Durante el proceso no se generan gases contaminantes, no hay pérdidas de carbono activado y no se modifican las propiedades texturales del carbón activado original.

4) La fuente energética de la tecnología de la regeneración electroquímica es únicamente la electricidad, no se emplean reactivos por lo que no genera residuos contaminantes. Se puede acoplar con otras energías renovables (fotovoltaica, eólica, etc.), de este modo, el proceso de reciclaje se configuraría como modélico, tanto por el uso de tecnologías limpias como por... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de regeneración electroquímica de materiales porosos saturados con contaminantes y tratamiento del contaminante en un solo paso que comprende las siguientes etapas:

a. introducir los materiales porosos saturados de contaminante en una celda electrolítica;

b. bombear un electrolito; y

c. aplicar una corriente constante entre los electrodos de la celda electrolítica.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, donde el material poroso es carbón activado.

3. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde los materiales porosos están saturados por fenoles o herbicidas quinolínicos.

4. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los ánodos comprende al menos un metal que se selecciona de entre Sn, Sb, Pt, Ru, Co.

5. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la celda electrolítica es de tipo filtro prensa y comprende 1 ó 2 compartimentos y la regeneración es de tipo catódica, con ánodos que se seleccionan de entre Ti/Pt, Ti/SnCVSb-Pt o Ti/Ru02 y el cátodo es un electrodo que se selecciona de entre acero inoxidable o grafito

6. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la celda electrolítica es de tipo filtro prensa y comprende 1 ó 2 compartimentos, y la regeneración es de tipo anódica, el ánodo es un electrodo que se selecciona de entre Ti/Pt, Ti/Sn02-Sb-Pt o Ti/Ru02, y el cátodo es un electrodo que se selecciona de entre acero inoxidable o grafito.

7. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde los electrolitos se seleccionan del grupo formado por H2SO4, NaOH o NaCI.

8. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde en

la etapa c) se aplica una intensidad de corriente de entre 0,0 a 2,0 A.

9. El procedimiento según la reivindicación 8, donde en la etapa c) se aplica una intensidad de corriente con un valor seleccionado de entre 0,2; 0,5; 1,0;

1,5; y 2 A.

10. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde la duración del proceso es de 2 a 7 horas.

11. Procedimiento de adsorción de contaminantes sobre materiales porosos

saturados y que comprende las siguientes etapas:

a. introducir los materiales porosos saturados de contaminante en una celda electrolítica;

b. bombear la disolución con el contaminante; y

c. aplicar una diferencia de potencial constante entre los electrodos

de la celda electrolítica a temperatura ambiente.

12. El procedimiento según las reivindicación 11, donde la duración del proceso es de 24 horas.