Medios Poros Heterogéneos. ¿Cuánto puede medir y qué volumen albergar un gramo de carbono particulado poroso? (consideraciones sobre la estructura del suelo)

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Materiales de Carbono o silicio porosos. Fuente: Royol Sociely of Chemistry

 El presente post es de hecho una continuación con cifras de otro anterior titulado: Un Nuevo Concepto de Suelo ¿Respaldado por las Ciencias Físicas y la Nanotecnología?”: Este a su vez también enlaza con la temática de entregas precedentes que abundan sobre el mismo tema, de las cuales os volvemos a ofrecer una relación de las que consideramos más relevantes. Ya os comentamos que intentamos ofrecer una perspectiva que dé lugar a un nuevo concepto de suelo basado en las propiedades de sus materiales constituyentes a los que denominamos edáficos. Por ejemplo: ¿cuánto mide un metro cuadrado de suelo?. Aunque la aproximación que mostramos hoy resulta ser teórica, las implicaciones en el manejo se me antojan de gran calado, al permitir incrementar/aumentar la fertilidad de suelos que hoy podemos considerar prácticamente infértiles.  La matriz del suelo es muy porosa y heterogénea. Por ello, un metro cuadrado estimado desde la superficie puede albergar cientos (¿miles?) de metros en el seno de un perfil edáfico, digamos que de un metro de profundidad. Como veréis, tal  hecho confiere a la edafosfera unas propiedades  extraordinarias con vistas a sustentar tanto,  biosfera, como agrosfera, como también a la dinámica de los ecosistemas en su conjunto. Y tal hecho  no es ni trivial ni fácil de cuantificar, tema sobre el que abundamos en la siguiente entrega: El dilema de la medida de la superficie de un suelo y el concepto de capacidad de carga. Ya sabéis que este recurso natural se encuentra constituido por componentes muy variados en lo que respecta a sus propiedades materiales es decir, composición, tamaño, abundancia, forma, rugosidad y superficie. Reiteramos que la rugosidad es una propiedad de suma importancia que lamentablemente ha sido soslayada en la ciencia del suelo. Empero no son las partículas individuales, incluyendo las nanopartículas, sino los agregados del suelo, los que conferirán a este una estructura capaz de llevar a cabo procesos que no son posibles en los sedimentos y menos aún las rocas duras. Y así os describimos cómo una roca se convierte en suelo (el esponjamiento). En la matriz edáfica abundan y resultan vitales el carbono y el silicio, también relacionados con el origen de la propia vida. Esta matriz se encuentra repleta de poros de todos los tamaños que realizan determinadas funciones, por así decirlo. Y sobre estas premisas hemos ido proponiendo un nuevo concepto de suelo, en el que las partículas minerales y orgánicas, en forma de los susodichos agregados, dan lugar a estructuras con unas propiedades físicas y matemáticas sorprendentes. Como bien sabéis, el secuestro de carbono es una de ellas. Brevemente, el mentado concepto se basa en que a mayor superficie efectiva, bajo un ambiente iónico adecuado, el recurso suelo confiere a la biosfera el potencial para que se desarrolle la vida en toda su plenitud.

 La noticia que os vamos a ofrecer hoy procede de otros ámbitos científicos interesados en elaborar carbono particulado poroso, como por ejemplo, con vistas a maximizar la captura de CO2 en determinados procesos industriales. Abajo os muestro parte de la noticia traducida del inglés al castellano y la original en suajili (a pesar de que en el estudio intervinieron investigadores del CSIC, no he visto en las notas de prensa españolas mención alguna al respecto). El resultado que nos interesa aquí es el siguiente: hasta qué punto una pequeña cantidad de este carbono poroso particulado puede incrementar la superficie efectiva, cuya misión en el suelo ya os hemos explicado en los post previamente enlazados en el presente. No se trata de que las cifras que los autores obtienen sean las mismas que las que acaecen en el medio edáfico, que además tendrán necesariamente una gran variabilidad espacial (en función del tipo de suelo, horizonte, textura, etc.), sino que deben considerarse orientativas de lo que nos podemos encontrar al analizar este recurso natural. Veamos pues la siguiente frase extraída de la nota de prensa:

 Independientemente de los aditivos funcionales, los experimentos mostraron que una vez que un material absorbente logra una superficie de 2.800 metros cuadrados por gramo y un volumen de poros de 1,35 centímetros cúbicos por gramo, la captura de CO2 no mejoró ni incrementando la superficie ni  el  volumen poroso. Sin embargo tal límite crítico fue diferente para el CO2 que para el metano. “La industria no tiene que estar haciendo el material con más alta área superficial. Sólo tienen que hacerlo con una superficie que alcanza la máxima producción.”

 Quedémonos con que un gramo de las mentadas partículas pueden cobijar una superficie de 2.800 metros cuadrados, aptas para absorber nutrientes, atesorar poder catalítico, albergar comunidades microbianas, etc.). No debemos olvidar, como también hemos señalado en entregas anteriores, que en diversos continentes se realizaron variadas formas de combustión de la materia orgánica que, tras ser añadida al suelo, permitieron a pueblos aborígenes trasformar suelos infértiles y fértiles (siendo el caso más conocido el del biochar), logrando así una agricultura sustentable como os hemos ido mostrando en nuestra categoría “etnoedafología y conocimiento campesino”. 

 Insistimos por enésima vez que este puede ser el camino para transformar una agricultura industrial insustentable en otra sustentable y no  contaminante. Se necesitan más indagaciones, por supuesto. Sin embargo, este bloguero cree que se trata de un camino que debemos explorar imperiosamente, por cuanto se encuentra seguro que nos deparará grandes y gratas sorpresas.

 Juan José Ibáñez

 A bajo os dejo el material aludido y algún otro adicional…….

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Materiales de Carbono o silicio porosos. Fuente: Royol Sociely of Chemistry

Un proyecto para mapear cómo los cambios en los materiales porosos de carbono y las condiciones en las que son sintetizados afectan a la captura de carbono. Descubrieron aspectos que podrían ahorrar dinero para la industria, mientras que la mejora de sus productos. La investigación aparece este mes en la Royal Society of Chemistry Journal of Materials Chemistry A.

 El laboratorio comparó cómo las características de carbón poroso, a menudo fabricados en forma de gránulos, afectan a la captura de dióxido de carbono. La temperatura, la presión, el área de la superficie del material, se añaden el tamaño de sus poros (…) el mapa influirá en cómo la investigación de captura de carbono se lleva a cabo de ahora en adelante.

 Tradicionalmente se ha considerado/estudiado que a mayor superficie y porosidad del material, mejor va a adsorber el producto (…)   En consecuencia los investigadores han estado sintetizando materiales para maximizar ambos. Resulta que es una especie de zona muerta de la investigación porque una vez que se llega a un número crítico, no importa qué ocurre después (…) “Lo que hemos hecho es proporcionar una receta para elaborar los mejores materiales de captura de carbono que podamos”. Los investigadores hicieron una variedad de materiales porosos de carbono procedentes de fuentes tales como cáscaras de coco pulverizado y serrín y los trató con hidróxido de potasio para obtener dar los poros a nanoescala.

 Algunos lotes se mejoraron con nitrógeno y otros con azufre; estos han sido estudiados como ingredientes con vistas a obtener materiales más adsorbentes. Los investigadores utilizaron una variedad de precursores con vistas a sintetizar materiales absorbentes a base de carbono porosos activados químicamente a temperaturas entre 500 y 800 grados centígrados midiendo cuidadosamente sus capacidades de capturar CO2 a presiones comprendidas entre 0 y 30 bares. (Un bar es ligeramente menor que la presión atmosférica media al nivel del mar).

 Independientemente de los aditivos funcionales, los experimentos mostraron que una vez que un material absorbente logra una superficie de 2.800 metros cuadrados por gramo y un volumen de poros de 1,35 centímetros cúbicos por gramo, la captura de CO2 no mejoró ni incrementando la superficie ni  el  volumen poroso. Sin embargo tal límite crítico fue diferente para el CO2 que para el metano. “La industria no tiene que estar haciendo el material con más alta área superficial. Sólo tienen que hacerlo con una superficie que alcanza la máxima producción.”

 Los autores del estudio comprobaron que un material con menos del 90% de carbono y añadiendo oxígeno, en lugar de nitrógeno o azufre, fue más eficaz en dicha captura, así como en la selectividad para absorber  carbono o metano, especialmente para materiales activados a temperaturas próximas a 800 grados centígrados.

 Los materiales con una superficie por encima de 2.800 metros cuadrados por gramo sobresalieron en la absorción de dióxido de carbono a presiones de 30 bar, pero las ventajas de dicha extensión superficial disminuyeron a presiones más bajas.

 La presencia de oxígeno, que se crea al añadir hidróxido de potasio de poros fue mucho más eficiente que las pruebas con nitrógeno o de azufre. “Entendemos que el oxígeno es importante”, dijo Barron. “No entendemos por qué. ¿Se estabilizas ciertas estructuras de poros? ¿Se debe a que se estabiliza el cuello de/entre los poros? ¿cambia la forma/morfología de los poros? No sabemos si se trata de una cuestión de química o física, pero ahora sabemos lo debemos estudiar en el futuro”.

 Map helps maximize carbon-capture material
by Staff Writers; Houston TX (SPX) Aug 23, 2016

A careful balance of the ingredients in carbon-capture materials would maximize the sequestration of greenhouse gases while simplifying the processing – or “sweetening” – of natural gas, according to researchers at Rice University.

The lab of Rice chemist Andrew Barron led a project to map how changes in porous carbon materials and the conditions in which they’re synthesized affect carbon capture. They discovered aspects that could save money for industry while improving its products. The research appears this month in the Royal Society of Chemistry’s Journal of Materials Chemistry A.

The lab compared how characteristics of porous carbon, often manufactured in pellet form, affect carbon dioxide capture. Temperature, pressure, the material’s surface area, the size of its pores and what elements are added all impact results, Barron said. He said the map will influence how carbon capture research is carried out from now on.

The traditional sense has been the more surface area and the greater the porosity of the material, the better it will adsorb,” Barron said. “So people have been synthesizing materials to maximize both. It turns out that’s kind of a dead area of research because once you get to a critical number, no matter how high you get after that, they don’t improve absorption.

What we’ve done is provide a recipe to make carbon capture materials the best they can be,” he said.

The researchers made a variety of porous carbon materials from sources like pulverized coconut shells and sawdust and treated them with potassium hydroxide to give the grains nanoscale pores.

Some batches were enhanced with nitrogen and some with sulfur; these have been studied as additives to make materials more adsorbent. The researchers used a variety of precursors to synthesize porous carbon-based sorbent materials chemically activated at temperatures between 500 and 800 degrees Celsius (932 to 1472 degrees Fahrenheit) and carefully measured their carbon dioxide-capturing capacities at pressures between 0 and 30 bar. (One bar is slightly less than the average atmospheric pressure at sea level.)

Regardless of the functional additives, experiments showed that once a sorbent material achieved a surface area of 2,800 square meters per gram and a pore volume of 1.35 cubic centimeters per gram, neither more surface area nor larger pores made it more efficient at capturing carbon dioxide.

The researchers also discovered the best conditions for carbon capture aren’t the same as those that achieve the best trade-off between carbon and methane selectivity. An ideal material would capture all the carbon dioxide and let all the energy-containing methane pass through, Barron said.

“The barrier where it doesn’t help you any more is different for the total uptake of carbon dioxide than it is for the selectivity between carbon dioxide and methane,” he said. “Industry doesn’t have to be making the highest-surface-area material. They just have to make it with a surface area that reaches maximum production.”

They determined a material with less than 90 percent carbon and enhanced by oxygen, rather than nitrogen or sulfur, worked best for both carbon capture and methane selectivity, especially for materials activated at temperatures approaching 800 degrees Celsius.

Materials with a surface area above 2,800 square meters per gram excelled at absorbing carbon dioxide at pressures of 30 bar, but the advantages of such high surface area diminished at lower pressures.

The presence of oxygen, added by the pore-inducing potassium hydroxide, was far more relevant to the results than either nitrogen or sulfur, they found.

We understand oxygen is important,” Barron said. “We don’t understand why. Does it stabilize certain pore structures? Is it because it stabilizes the pore neck? Is it changing the shape of pores? We don’t know whether it’s a chemical or physical issue, but now we know what we should study next.”

Rice postdoctoral researcher Saunab Ghosh is lead author of the paper. Co-authors are researcher Marta Sevilla and Professor Antonio Fuertes of the Spanish National Research Council, Oviedo, Spain; Senior Lecturer Enrico Andreoli of the Energy Safety Research Institute, Swansea University, Wales; and Jason Ho, an engineer at the Apache Corp., Houston.

Barron is the Charles W. Duncan Jr.-Welch Professor of Chemistry and a professor of materials science and nanoengineering at Rice and the Ser Cymru Chair of Low Carbon Energy and Environment at Swansea.

The research was supported by Apache, the Welsh Government Ser Cymru Program, the Robert A. Welch Foundation, the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain and the European Regional Development Fund

Una tesis del Grupo de Investigación

file:///C:/Users/Juan%20Jos%C3%A9%20Iba%C3%B1ez/Downloads/Tesis%20Patricia%20Valle_S%C3%ADntesis%20de%20materiales%20(2).pdf

Artículo original. Abstract

Defining a performance map of porous carbon sorbents for high-pressure carbon dioxide uptake and carbon dioxide-methane selectivity

Saunab Ghosh,   Marta Sevilla Solis,   Antonio B Fuertes,   Enrico Andreoli,   Jason Ho and    Andrew Ross Barron 

J. Mater. Chem. A, 2016, Accepted Manuscript; DOI: 10.1039/C6TA04936B

Received 13 Jun 2016, Accepted 11 Aug 2016; First published online 11 Aug 2016

The relative influence of heteroatom doping, surface area, and total pore volume of highly microporous carbon materials on CO2 uptake capacity, and the CO2/CH4 selectivity, at high pressure (≤30 bar) is presented. The separation of CO2 from natural gas (natural gas sweetening) is an important application that requires high CO2 uptake in combination with high CO2/CH4 selectivity. Porous carbon (PC), N-doped PC (NPC), and S-doped PC (SPC) materials are prepared using KOH oxidative activation at different temperatures. The surface chemical composition was determined by XPS, while the surface areas, total pore volume, and pore size distributions were obtained by analyzing N2 adsorption-desorption isotherms with support from SEM and TEM. The CO2 and CH4 uptake was determined by volumetric uptake measurements (sorption and desorption). Contrary to previous proposals that N- or S-doping results in high uptake and good selectivity, we show it is the Σ(O,N,S) wt% that is the defining factor for CO2 uptake, of which O appears to be the main factor. Based upon the data analyzed, a performance map has been defined as a guide to designing/choosing materials for both future studies and large scale fluid bed applications using pelletized materials. For CO2 uptake at 30 bar any material with a surface area >2800 m2g-1 and a total pore volume >1.35 cm3g-1 is unlikely to be bettered. Such a material is best prepared by thermal activation between 700-800 °C and will have a carbon content of 80-95 wt% (as determined by XPS). While it has been assumed that the parameters that make a good CO2 adsorbent are the same as those that make a material with high CO2/CH4 selectivity, our results indicate instead that for the best selectivity at 30 bar a surface area >2000 m2g-1 and a total pore volume >1.0 cm3g-1 and a carbon content of <90 wt% are necessary.

Artículo Completo: http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2016/ta/c6ta04936b

Defining a performance map of porous carbon sorbents for high pressure carbon dioxide uptake and carbon dioxide-methane selectivity…..

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