PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE UN ADSORBENTE QUE UTILIZA RESIDUOS DE CAFÉ POSTCONSUMO Y SU UTILIZACIÓN PARA LA ADSORCIÓN DE CO2.

Procedimiento de obtención de un adsorbente que utiliza residuos de café postconsumo y su utilización para la adsorción de CO2.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material adsorbente con capacidad para adsorber CO2, que utiliza residuos de café postconsumo. El procedimiento de obtención comprende el secado del residuo, su conformación, en ausencia de ligantes, y su activación térmica en presencia de un agente activante, que preferentemente es CO2. Las características texturales y de densidad del material obtenido por el procedimiento de la invención, que también se protege, lo convierten en un candidato ideal para la adsorción de CO2, y preferentemente en la captura de CO2 postcombustión.

Procedimiento de obtención de un adsorbente que utiliza residuos de café postconsumo y su utilización para adsorción de C02.

Sector de la técnica

La presente invención tiene que ver con un procedimiento de obtención de un adsorbente, obtenido a partir de residuos de café postconsumo, con potencial aplicación en procesos de separación de gases mediante adsorción, especialmente útil para la captura de C02 postcombustión, y que por lo tanto se sitúa en el sector energético (producción de electricidad) e industrial (industria cementera, industria metalúrgica, industria petroquímica, etc.) gran emisor de C02.

Estado de la técnica

La captura de C02 postcombustión (CCP) se refiere a la separación del C02 presente en los gases de chimenea de grandes fuentes estacionarias, como centrales térmicas e instalaciones industriales, para almacenarlo de forma segura en formaciones geológicas, evitando su emisión a la atmósfera, y contribuyendo así a la mitigación de emisiones de C02. Existen distintas tecnologías capaces de llevar a cabo esta separación. La absorción con aminas se ha utilizado en la industria desde 1930 para llevar a cabo separaciones similares, aunque a una escala menor. Sin embargo, aún no existen unidades comerciales de CCP, debido tanto a la magnitud del problema como a la elevada penalización energética de los procesos de absorción química, ya que es necesario calentar elevados volúmenes de disoluciones diluidas de aminas para lograr su regeneración. En los procesos de adsorción con sólidos, la regeneración del adsorbente se realiza mediante un cambio en la presión y/o temperatura del sistema (PSA/TSA). Esta regeneración es energéticamente mucho menos intensiva, por lo que se espera que la aplicación de procesos de adsorción a la CCP contribuya de manera significativa a reducir sus costes.

Los carbones activados presentan buenas propiedades como adsorbentes para la CCP debido a su bajo coste, disponibilidad, elevada estabilidad en las condiciones de los gases de chimenea, alta selectividad C02/N2, y fácil regeneración. Existen algunos procesos patentados donde se utilizan carbones activados para separar el C02 de mezclas gaseosas mediante procesos de adsorción: la patente US4726815 describe un proceso PSA para la adsorción y separación del C02 de mezclas gaseosas con un contenido de C02 igual o superior al 10% y la patente US2010/0242728A1 describe un proceso para separar el C02 procedente de una mezcla de gases, que consiste en poner en contacto el gas con un

adsorbente carbonoso, capaz de adsorber el C02 a temperaturas próximas (o inferiores) a la temperatura ambiente, y de liberar el C02 por calentamiento, reducción de la presión, o combinación de ambos.

Los carbones activados pueden obtenerse a partir de precursores con elevado contenido en carbono y bajo contenido en materia inorgánica. Los precursores más utilizados a nivel industrial son el carbón, el coque, la turba, la madera y la cáscara de coco. La biomasa constituye una fuente renovable, por lo que se prevé que su aprovechamiento como materia prima aumente con el tiempo. La obtención de carbones activados y tamices moleculares de carbono a partir de biomasa está ampliamente extendida: loannidou y Zabaniotou, 2007, Renew Sustainable Energy Rev, 2007, 11, p: 1966-2005; Mohamed y col., Renew Sustainable Energy Rev, 2010, 14, p:1591-1599.

El café es una importante fuente de residuos: tanto en origen, durante el procesado del café (pulpa, cáscara, etc.), como en el destino final (por cada kg de café verde, se generan 0,65 kg de residuo de café agotado). Además, cerca del 50 % del café producido a nivel mundial se destina a la producción de café soluble, que genera cerca de 2 kg de residuo de café agotado por kg producido (Murthy y Naidu, Resour Conserv Recy, 2012, 66, p:45-58). Estos residuos de café agotado (referido de aquí en adelante como café postconsumo) son depositados en vertederos junto con otros residuos sólidos urbanos, o bien son usados como combustible en calderas o empleados para la fabricación de compost. Sin embargo, de acuerdo con la jerarquía de residuos establecida en el artículo 8 de la ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados, el reciclaje es prioritario sobre la valorización energética o la eliminación. Entre las posibilidades de reciclaje de este residuo, encontramos la obtención de carbones activados, que suponen un producto de alto valor añadido. En el estado de la técnica pueden encontrarse antecedentes de producción de carbones activados a partir de residuos de café mediante activación química con KOH, ZnCI2, H3P04, y carbonatos: Evans y col. Carbón, 1999, 37, p:269-274; US2003/0196954A1; Namane y col. J Hazard Mater, 2005, 119, p:189-194; Boonamnuayvitaya y col. Sep Puríf Technol, 2005, 42, p: 159-168; Reffas y col. J Hazard Mater, 2010, 175, p:779-788; Plaza y col. Appl Energ, 2012, 99, p:272-279; Kante y col. J Hazard Mater, 2012, 201-202, p:147. También existen referencias de producción de carbones activados a partir de residuos de café postconsumo mediante activación física en dos etapas, consistente en una carbonización en atmósfera de N2 seguida de activación con C02 o H20: Tsunoda y col. J. Colloid Interface Sci., 1998, 205, p:265-270. Las aplicaciones propuestas para estos carbones son diversas, aunque

predominan la adsorción en fase líquida: adsorción de formaldehido, fenol y eliminación de colorantes de corrientes acuosas (azul de metileno y rojo (N-2RBL).

Los carbones activados obtenidos directamente por activación de residuos de café postconsumo, tienen un tamaño de partícula demasiado fino para aplicaciones de lecho fijo, aunque pueden ser utilizados en procesos discontinuos, especialmente para procesos de adsorción en fase líquida. La obtención de carbones activados granulares, aptos para operaciones de lecho fijo, requiere una etapa previa de conformado. Esta etapa, en muchas ocasiones, conlleva el uso de agentes ligantes (breas, por ejemplo), que pueden bloquear el acceso a los microporos, reduciendo la capacidad de adsorción del producto final. Sin embargo, los residuos de café postconsumo presentan la particularidad de que pueden ser conformados sin ayuda de ligantes.

Breve descripción de la invención

El problema técnico a resolver es la adsorción de C02, y preferentemente la captura de C02 postcombustión, que se refiere a la separación del C02 presente en los gases de chimenea de grandes fuentes estacionarias, como centrales térmicas e instalaciones industriales, para almacenarlo de forma segura en formaciones geológicas, evitando su emisión a la atmósfera, y contribuyendo así a la mitigación de emisiones de C02. Se espera que la CCP contribuya de forma importante en la lucha contra el cambio climático a medio plazo. Sin embargo, aún no existen unidades comerciales de CCP, debido tanto a la magnitud del problema como a la elevada penalización energética de las tecnologías disponibles. El uso del adsorbente objeto de esta invención en un proceso de separación de C02 mediante adsorción podría reducir de manera significativa los costes de la CCP.

El primer objeto de la invención lo constituye un procedimiento de obtención de un material adsorbente microporoso derivado de un residuo de café postconsumo, que comprende las siguientes etapas:

a) secado del residuo de café postconsumo para reducir su contenido inicial de humedad,

b) conformado, en ausencia de ligantes, del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (a), y

c) activación del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (b) por tratamiento térmico utilizando un agente activante.

Un segundo objeto de la invención lo constituye el material adsorbente obtenido a través del procedimiento de obtención anteriormente referido y que se caracteriza por:

i) una densidad aparente comprendida entre 0,400 g cm'3 y 1,000 g cm'3,

ii) un volumen de microporos de al menos 0,2 cm3 g'1,

iii) un tamaño medio de microporo inferior a 1 nm, y

iv) una capacidad de adsorción de C02 comprendida entre 0,5 y 2,0 mmol g'1 a 14 kPa y a temperaturas comprendidas entre 0 y 50 °C.

El tercer objeto de la invención lo constituye el uso del material para la adsorción de C02, y preferentemente en la captura de C02 postcombustión, a través de las siguientes etapas:

a) poner en contacto el gas a tratar con el material adsorbente para separar el

C02; y

b) regenerar el material adsorbente, recuperando el C02 previamente capturado. Descripción detallada de la invención

La presente invención se basa en la observación de que un procedimiento que utiliza un residuo de café postconsumo como precursor carbonoso...

1.- Procedimiento de obtención de un material adsorbente microporoso derivado de un residuo de café postconsumo, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

a) secado del residuo de café postconsumo para reducir su contenido inicial de humedad,

b) conformado, en ausencia de ligantes, del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (a), y

c) activación del residuo de café postconsumo obtenido según la etapa (b) por tratamiento térmico utilizando un agente activante.

2.- Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por que el residuo de café postconsumo se obtiene de la elaboración del café y presenta un contenido en carbono superior al 50 % y un contenido en materia inorgánica inferior al 2%.

3.- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que el secado del paso (a) se realiza a una temperatura comprendida entre 50 y 150 °C, y durante un tiempo comprendido entre 1 y 24 h.

4.- Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que el secado del paso (a) se lleva a cabo a 100 °C durante un tiempo de 4 horas.

5.- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizada por que el residuo de café postconsumo tras la etapa de secado del paso (a) comprende un tamaño de partícula uniforme e inferior a 1 mm, y con una fracción mayoritaria comprendida entre 212 y 425 pm.

6- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el conformado de la etapa (b) se lleva a cabo, sin la adición de ligantes, por compactación mediante presión o extrusión.

7.- Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado por que se obtienen pellets que presentan un diámetro de partícula comprendido entre 2 y 10 mm y una altura comprendida entre 2 y 11 mm.

8.- Procedimiento según la reivindicación 7 caracterizado por que los pellets presentan un diámetro de partícula de 4 mm y una altura de 3 mm.

9.- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el tratamiento térmico de la etapa (c) se realiza en un lecho fijo, un lecho fluidizado o un horno rotatorio.

10.- Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por que el agente activante se elige de entre C02, H20, aire, NH3 y sus mezclas.

11.- Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado por que el C02 es C02 puro.

12.- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que el tratamiento térmico de la etapa (c) se realiza a temperaturas comprendidas entre 600 y 900 °C, durante periodos de tiempo comprendidos entre 30 min y 12 h y con una velocidad de calentamiento comprendida entre 1 y 100 °C min'1.

13.- Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado por que el tratamiento térmico de la etapa (c) se realiza a una temperatura de 700 °C, durante un periodo de tiempo de 8 h y con una velocidad de calentamiento de 5 °C min'1.

14.- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado por que se obtienen pellets con un diámetro de partícula y una altura comprendidos entre 1 y 10 mm.

15.- Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizada por que los pellets presentan un diámetro de partícula de 2,7 y una altura de 1,9 mm.

16.- Material adsorbente obtenido mediante el procedimiento de obtención según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.

17.- Material adsorbente según la reivindicación 16, caracterizado por que presenta:

i) una densidad aparente comprendida entre 0,400 g cm'3 y 1,000 g cm'3,

ii) un volumen de microporos de al menos 0,2 cm3 g'1,

iii) tamaño medio de microporo inferior a 1 nm, y

iv) una capacidad de adsorción de C02 comprendida entre 0,5 y 2,0 mmol g"1 a 14 kPa y a temperaturas comprendidas entre 0 y 50 °C.

18.- Uso del material según una cualquiera de las reivindicaciones 16 y 17 para la adsorción de C02.

19.- Uso del material según la reivindicación 18, caracterizado por que comprende, al menos, las siguientes etapas:

a) poner en contacto el gas a tratar con el material adsorbente según una cualquiera de las reivindicaciones 16 y 17, para separar el C02; y

b) regenerar el material adsorbente de la invención, recuperando el C02 previamente capturado.

20.- Uso según una cualquiera de las reivindicaciones de 18 y 19 para la captura de C02 postcombustión.

21.- Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20 caracterizado por que el contacto del paso (a) se lleva a cabo en una temperatura comprendida entre 15 y 70 °C y a una presión comprendida entre 100 y 300 kPa.

22.- Uso según la reivindicación 21 caracterizado por que la temperatura está comprendida entre 20 y 50 °C y la presión entre 100 y 150 kPa.

23.- Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 22 caracterizado por que la regeneración de la etapa (b) se lleva a cabo por un procedimento seleccionado de entre, calentamiento a presión aproximadamente constante, disminución de la presión del sistema a temperatura aproximadamente constante o mediante una combinación de ambos procedimientos.

24.- Uso según la reivindicación 23, caracterizado por que la regeneración de la etapa (b) se lleva a cabo por un procedimiento de calentamiento a presión aproximadamente constante a una temperatura comprendida entre 50 y 150 °C.

25.- Uso según la reivindicación 23, caracterizado por que la regeneración de la etapa (b) se lleva a cabo por un procedimiento de disminución de la presión del sistema a temperatura

aproximadamente constante hasta una presión inferior a la presión parcial del C02 en la alimentación, comprendida entre 10 y 1 kPa.

26.- Uso según la reivindicación 23, caracterizado porque la regeneración de la etapa (b) se 5 lleva a cabo mediante un procedimiento combinado de calentamiento a presión aproximadamente constante y de disminución de la presión del sistema a temperatura aproximadamente constante hasta una presión comprendida entre 10 y 1 kPa, y a una temperatura comprendida entre 50 y 100 °C.