Archivo de marzo, 2021

Armonización de la espectroscopía Raman para su uso extensivo

Autor: Raquel Portela

Armonización de la espectroscopía Raman para su uso extensivo

El nuevo proyecto CHARISMA, financiado con fondos europeos, está destinado a armonizar y estandarizar la espectroscopía Raman para facilitar la caracterización de materiales a lo largo de su ciclo de vida completo, desde el diseño y fabricación de un producto hasta su reutilización, reciclaje o desecho final, pasando por el rendimiento durante su vida útil.

La espectroscopía Raman es una herramienta de caracterización casi ideal, porque es una técnica no invasiva, sin marcadores, fácil de implementar incluso en entornos de fabricación hostiles, las muestras se pueden analizar sin preparación especial y proporciona una rápida “huella química” altamente específica de materiales orgánicos e inorgánicos, en forma gaseosa, líquida o sólida, incluyendo materiales amorfos o de dominio cristalino menor de cuatro nm, que no se pueden caracterizar por difracción de rayos X convencional. En las últimas décadas, los equipos Raman se han desarrollado rápidamente, y hoy en día los usuarios finales tienen una amplia variedad de instrumentos Raman disponibles a un costo razonable, desde equipos sofisticados de alta resolución [i] hasta dispositivos portátiles asequibles [ii]. Estas son las principales razones del rápido crecimiento del uso de Raman no solo en la investigación, sino también en la industria, principalmente para el control de calidad, y en particular en la industria farmacéutica [iii].

El desafío para una implementación más amplia es que los espectros Raman difieren entre instrumentos y son difíciles de cuantificar y analizar, lo que limita la estandarización e interoperabilidad de los datos y modelos [iv]. Es necesario armonizar las herramientas de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos de espectroscopía Raman de modo que usuarios con diferentes equipos en diversos entornos puedan compartirlos de forma justa, a través de bases de datos encontrables, accesibles, interoperables y reutilizables (Findable, Accesible, Interoperable y Reusable, FAIR). Esta armonización es de suma importancia para fomentar e implementar un entorno abierto de innovación en industrias existentes y en desarrollo a través de técnicas de caracterización basadas en la espectroscopía Raman.

El proyecto CHARISMA (Characterization and HARmonization for Industrial Standardisation of advanced MAterials) tiene como objetivo armonizar y estandarizar la caracterización mediante espectroscopía Raman, incluyendo hardware, protocolos de medida, métodos in silico, y bases de datos, lo que permitirá a los usuarios finales compartir datos digitales relacionados con los espectros entre diferentes dominios y durante todo el ciclo de vida de diversos productos. En CHARISMA se proponen nuevos conceptos para armonizar la caracterización mediante espectroscopía Raman para su uso extendido in situ deslocalizado y su implementación industrial en línea. Se desarrollarán protocolos e interfaces de programación de aplicaciones que permitirán a los fabricantes y usuarios de productos activos en Raman implementar y compartir fácilmente herramientas analíticas y datos adquiridos con diferentes equipos y software en diversas condiciones.

El proyecto, financiado por el programa europeo de investigación e innovación Horizonte 2020 (GA 952921) y coordinado por el CSIC, ha comenzado el 1 de noviembre de 2020 y durará 4 años. La primera Asamblea General reunió el pasado diciembre virtualmente a los 14 socios del consorcio, de 9 países, en una discusión colaborativa sobre cómo  lograr los objetivos, que incluyen:

  • Normalizar la armonización de la espectroscopía Raman en las comunidades de nanotecnología, materiales avanzados, biotecnología y fabricación y procesamiento avanzados.
  • Modelar para armonizar la espectroscopía Raman
  • Armonizar los espectros Raman
  • Armonizar los datos de caracterización Raman
  • Generar un repositorio de datos Raman siguiendo los principios FAIR
  • Demostrar el desempeño de la caracterización Raman armonizada en casos industriales reales diversos.
  • Estandarizar los protocolos Raman

El proyecto demostrará la viabilidad de su concepto en tres casos industriales, relacionados con procesos químicos (producción de catalizadores), con la autenticación y trazabilidad de documentos y mercancías [v] y con la seguridad alimentaria [vi]. A largo plazo, su objetivo es hacer de la espectroscopía Raman una tecnología generalizada utilizada dentro del concepto Industry Commons.

Miguel A. Bañares, profesor de investigación del CSIC y jefe del grupo de Espectroscopía y Catálisis Industrial del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP), coordinador del proyecto, explica el impacto esperado de CHARISMA:

Se espera que CHARISMA tenga un impacto significativo en una serie de áreas tecnológicas y científicas diferentes, lo que en última instancia conducirá a una mayor confianza de los consumidores y la industria en productos basados en nanomateriales activos en Raman controlados digitalmente, a la caracterización Raman en línea / in situ durante el ciclo de vida de múltiples productos y, en general, a una mayor confianza en la calidad y el rendimiento de productos que involucren nanomateriales.

Contacto: Yordas Group (en inglés, Judith Friesl y Besa Maliqi Syla), ICP-CSIC (Miguel A. Bañares y Raquel Portela).

 Info@h2020charisma.eu

  www.h2020charisma.eu

Referencias 

[i] Confocal Raman Microscopy. Springer Series in Surface Sciences. Editors: J. Toporski, T. Dieing, O. Hollricher. Springer International Publishing 2018, Switzerland.

[ii] 2019 XI™ es el primer espectrómetro Raman del mundo completamente integrado con el smartphone Android  Cloudminds Data A1 https://airaman.com/

[iii] J. A. Griffen, A. W. Owen, D. Andrews, P. Matousek. Recent Advances in Pharmaceutical Analysis Using Transmission Raman Spectroscopy. Spectroscopy 32,4,37–43(2017).

[iv] Li Q, Sun X, Ma X, et al. (2019) A calibration transfer methodology for Standardisation of Raman instruments with different spectral resolutions using Double Digital Projection Slit. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 191: 143–147.

[v] J. J. Romero, V. García-Juez, J. F. Fernández, J. Gamo, Miguel A. Rodríguez, A. Ruiz, I. Lorite. Use of Raman Markers for authenticating security documents. WO2012/164054 (A1) and EP2714419 (B1), US 9196107(B2), CN103635331 (B), JP6009549 (B2), KR101590690 (B1). A. Moure, J. F. Fernández, V. Fuertes, E. Enriquez, V. García-Juez. Raman Markers. EP19382045.3 2019.

[vi] J. F. Fernandez, J. J. Reinosa, A. Moure, J. J. Menendez. “Material compuesto antimicrobiano” (antimicrobial composite material). P201830547 05/06/2018

CHARISMA ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo No 952921.

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Construcción de un campo solar lineal Beam-down a escala de laboratorio para su integración con procesos industriales

Autores: S. Taramona, A. López Quiroz, J. Gómez-Hernández, J. Villa Briongos y D. Santana

En línea con el Acuerdo de París, que plantea el reto global de limitar el aumento de la temperatura media a menos de 2 °C comparado con niveles preindustriales, en España se ha desarrollado el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima para los próximos 10 años, que establece objetivos como el aumento de la fracción del consumo final cubierto por fuentes renovables hasta un 42% y un incremento de la eficiencia energética, de modo que se puedan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero un 23% con respecto a los niveles de 1990. Con estos objetivos en mente es necesario un aumento en las investigaciones y en el desarrollo de tecnologías basadas en fuentes de energía renovables.

Actualmente las principales fuentes de generación renovable en España son la eólica, la hidráulica y la solar fotovoltaica, representando aproximadamente el 55%, el 25% y el 9% de la generación de origen renovable del año 2019 [1]. Por debajo de estas tres tecnologías se encuentra la energía solar térmica, que el año pasado representó un 5% de la generación renovable; ésta tiene un gran potencial de desarrollo y mejora, tanto en el incremento del rendimiento de las tecnologías, como en la reducción de costes asociados a su construcción y operación. La energía solar térmica se basa en el aprovechamiento de la irradiación solar concentrada para incorporar el calor a un ciclo de potencia para generar electricidad, y como es necesario generar una gran cantidad de calor para obtener una potencia eléctrica suficiente, resulta de interés la aplicación de estas tecnologías para generar el calor de proceso necesario en distintas industrias.

Industria asfáltica

El proceso de construcción de carreteras requiere de gran cantidad de energía, donde la mayor parte se consume en el proceso de producción de las mezclas asfálticas necesarias para la construcción de las vías, en España la más común es la mezcla caliente, o HMA por “Hot Mixed Asphalt”, que consiste en una mezcla de bitumen y áridos secos y supone un 98% de las mezclas producidas; la calidad de este tipo de asfalto depende del grado de humedad presente en los áridos, al estar más secos, mejor es la calidad.

Figura 1. Esquema de una planta asfáltica. [3]

Concentradores lineales Beam-down

Los colectores lineales Fresnel están compuestos de múltiples filas de espejos que concentran la irradiación solar linealmente en un receptor ubicado a una altura superior. Al incorporar un reflector secundario que permita redirigir la concentración hacia el suelo, modificación propuesta en [4], es posible acoplar este tipo de campos solares a procesos que requieran el calentamiento de materiales pesados, ya que no es necesario elevarlos a una altura considerable para que reciban la irradiación solar concentrada. Adicionalmente, al concentrar el calor de manera lineal y no puntual, como las torres solares, los concentradores lineales con Beam-down resultan adecuados para la incorporación en procesos continuos que requieran calor.

 Figura 2. Esquema de un concentrador lineal Beam-down.

Diseño y construcción de un prototipo

Para estudiar la viabilidad de la aplicación de tecnologías de concentración solar para generar calor de proceso se procede a diseñar y construir un prototipo que permita realizar distintas mediciones para analizar. El prototipo está basado en los concentradores lineales Beam-down y diseñado de modo que la estructura sea modular y de fácil manipulación, de manera que se pueda armar y desarmar de manera sencilla, y que se pueda almacenar ocupando el menor espacio posible. Tras simular el funcionamiento del campo diseñado se obtiene una concentración de alrededor de 10 soles para las 12 horas solares del 20 de marzo, utilizando 40 espejos planos.

Actualmente el diseño del prototipo está definido y se está procediendo a su construcción.

 
Figura 3. Diseño del prototipo.

Figura 4. Montaje de espejos primarios.

Referencias

[1] “REData | Red Eléctrica de España”, Ree.es, 2020. [online]. Available at: https://www.ree.es/es/datos/generacion/estructura-renovables

[Accessed: 10- Mar- 2021].

[2] Peinado, D., de Vega, M., García-Hernando, N., Marugán-Cruz, C. (2011). Energy and exergy analysis in an asphalt plant´s rotary dryer. [online] Madrid. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.11.029

 [Accessed 10- Mar- 2021].

[3] U.S. Army Corps of Engineers, “Hot-Mix Asphalt Plant Operations” in Hot-Mix Asphalt Paving Handbook 2000, United States of America, 2000, pp. 41-112. [online]. Available at:

https://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/150_5370_14b_app1_part_II.pdf

[Accessed 10- Mar- 2021].

[4] Gómez-Hernández, J., González-Gómez, P., Briongos, J. and Santana, D. (2020). Technical feasibility analysis of a linear particle solar receiver. [online] Madrid. Available at: https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.11.052

[Accessed 10- Mar- 2021].

Contacto

Domingo J. Santana, Investigador Principal del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM dsantana@ing.uc3m.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Un paso adelante en la producción sostenible de amoniaco

Autor: Juan M. Coronado

La producción de amoniaco es posiblemente una de las mayores historias de éxito de la catálisis heterogénea, ya que este proceso ha sufrido pocos cambios desde su desarrollo industrial por Carl Bosch a partir del proceso catalítico de Fritz Haber hace más de un siglo. Esta ruta para la conversión del nitrógeno atmosférico ha hecho posible la producción masiva de fertilizantes (y también de explosivos), transformando la agricultura e incrementando la producción de alimentos. Un dato que pone de manifiesto la importancia de esta reacción es que se estima que hasta un 50% del nitrógeno presente en nuestro cuerpo ha sido previamente procesado en una planta de amoniaco. Sin embargo, el proceso Haber-Bosch requiere unas condiciones de operación extremas para alcanzar la eficiencia necesaria, con presiones de en el intervalo de 100 a 250 atmósferas y temperaturas de 450-600 ºC. Como consecuencia la producción de amoniaco presenta una considerable demanda energética y, teniendo en cuenta la enorme magnitud de su volumen de producción, se ha estimado que esta industria por si sola es responsable de algo menos del 2 % del consumo energético mundial, y genera el 1.6 % de las emisiones globales de CO2. Este hecho, junto el creciente interés en emplear el amoniaco para el almacenamiento de energía está incentivando el desarrollo de vías alternativas de síntesis que permitan incorporar las energías renovables en el proceso. Sin embargo, la fortaleza extrema del triple enlace (N≡N, 941 kJ.mol-1) que caracteriza a la molécula de N2 constituye una importante barrera para conseguir su activación de manera eficiente en condiciones más suaves.

Entre las distintas alternativas propuestas, la fotocatálisis proporciona una vía potencial para usar directamente la luz solar, mediante un semiconductor con las características electrónicas adecuadas para producir amoniaco en condiciones atmosféricas, empleando únicamente N2 y agua como agente reductor. Si la eficiencia de la fotocatálisis pudiera alcanzar valores suficientemente elevados, esta tecnología supondría un cambio de paradigma, ya que facilitaría una producción sostenible y distribuida de amoniaco. A pesar del evidente interés de esta ruta desde un punto de vista energético, su desarrollo se ha visto limitado por el reducido rendimiento alcanzado hasta la fecha, que hace inviable su aplicación práctica. No obstante, la investigación continúa, y poco a poco se van obteniendo mejoras significativas que permiten albergar la esperanza de que la conversión fotocatalítica de N2 pueda ser competitiva en el futuro.

En este sentido un grupo de investigadores de la Academia China de Ciencias en Beijing, en colaboración con las Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) han propuesto recientemente el empleo de fotocatalizadores nanoestructurados basados en nanopartículas de Cu2O sintetizadas sobre hidróxidos dobles laminares (LDH) de Zn y Al para mejorar la eficiencia en la síntesis de amoniaco empleando únicamente luz visible para la activación del N2. La clave de esta mejora es la obtención de partículas de Cu2O con dimensiones muy reducidas (3 nm) mediante un proceso de reducción suave y controlada del precursor sólido con ácido ascórbico. De esta manera se consigue incrementar la densidad de los centros superficiales adecuados para la adsorción de N2, al mismo que se facilita la captura de los electrones fotogenerados que precisa la reducción de esta molécula. A pesar de estas mejoras, la máxima producción de amoniaco con estos novedosos fotocatalizadores (4.10 mmol.gCu2O.h-1, equivalente a un rendimiento cuántico de 0.14 %) está todavía muy alejada de los umbrales necesarios para una producción a gran escala, pero el empleo de estos nuevos fotocatalizadores sin duda abren una nueva y prometedora línea de investigación.

Referencias

 J. A. Faria, Renaissance of Ammonia Synthesis for Sustainable Production of Energy and Fertilizers. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2021.100466.

S. Zhang, Y. Zhao, R. Shi, C. Zhou, G. I. N. Waterhouse, Z. Wang, Y. Weng, T. Zhang, Sub-3 nm Ultrafine Cu2O for Visible Light Driven Nitrogen Fixation. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2554–2560. doi.org/10.1002/anie.202013594

Contacto

Juan M. Coronado, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica – CSIC

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Intercambiador de calor compacto sales fundidas-CO2 para plantas termosolares basadas en ciclos supercríticos

Autor: Mª José Montes (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: Las plantas termosolares basadas en ciclos supercríticos de CO2 (ciclos sCO2) son una alternativa prometedora para incrementar el rendimiento global solar-eléctrico. El esquema más convencional para esta tecnología consiste en acoplar una central de torre con sales fundidas a alta temperatura (700 ºC) a un ciclo sCO2. Para este esquema se propone un nuevo diseño de intercambiador primario sales fundidas – CO2: el intercambiador de calor compacto tipo panel de abeja – Compact Honeycomb Heat Exchanger (CHHE)-, en el que la sal fundida circula a través de un conducto circular más grande, que está rodeado por 6 conductos trapezoidales más pequeños, por los que circula el CO2 supercrítico. En este trabajo se presenta dicho cambiador, así como una optimización termo-económica de sus dimensiones.

Abstract: Solar Thermal Power Plants (STPPs), based on supercritical CO2 (sCO2) cycles, seem to be a promising alternative to increase the global solar-to-electric efficiency. The most conventional scheme for this technology is a molten salt (MS) central receiver, working at high temperature (above 700ºC), coupled to the sCO2 cycle. For this scheme it is proposed a new design of the source heat exchanger that transfer the thermal energy from the molten salt to the CO2: the Compact Honeycomb Heat Exchanger (CHHE), in which the molten salt goes through a larger circular duct that is surrounded by 6 smaller trapezoidal ducts, through which the sCO2 circulates. This paper is focused in the thermal model of this new heat exchanger, and a thermo-economic optimization for a selected supercritical STPPs.

Dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, se han identificado tres posibles esquemas para la próxima generación de STPPs, diferenciándose por el fluido de trabajo en el receptor central: sales fundidas, partículas o gas [1]. Todos los esquemas propuestos se basan en el acoplamiento a un ciclo supercrítico, como una manera de aumentar el rendimiento global de la planta termosolar. En este artículo, el estudio se ha centrado en el primer esquema: receptor central de sales fundidas, trabajando a alta temperatura (700 ºC), y acoplado a un ciclo supercrítico de CO2, (figura 1), proponiendo un diseño novedoso del intercambiador de calor sales fundidas – CO2.

Figura 1. Esquema de una planta termosolar de sales fundidas acoplada a un ciclo supercrítico, con el intercambiador sales fundidas-sCO2 entre el campo solar y el ciclo de potencia (Fuente: [1]).

Dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, se han identificado tres posibles esquemas para la próxima generación de STPPs, diferenciándose por el fluido de trabajo en el receptor

Los intercambiadores más convencionales de carcasa y tubos (Shell and Tube Heat Exchanger, STHX) no parecen ser los más adecuados para esta aplicación, ya que la fase supercrítica debería ir por los tubos, pero esto supone aumentar mucho el espesor de los mismos, para aguantar las elevadas presiones, disminuyendo su eficacia; además, es probable que la sal fundida no fluya del todo bien por los intersticios de la carcasa, al ser un fluido muy viscoso. Por otro lado, los intercambiadores de calor de circuito impreso (Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE), aunque aguantan elevadas presiones, también pueden producir problemas de taponamiento de la sal, debido a las pequeñas dimensiones de sus canales (alrededor de 2 mm de diámetro).

Para minimizar estos problemas, este trabajo presenta un nuevo intercambiador sal fundida – CO2, basado en un conducto circular más largo para la sal fundida, rodeado de 6 conductos trapezoidales más pequeños, por donde circula la fase super crítica. La repetición de esta unidad térmica en el plano conduce a una apariencia en forma de panal de abeja, tal y como se muestra en la figura 2. Por esta razón, este diseño se ha llamado cambiador compacto tipo panal de abeja. (Compact Honeycomb Heat Exchanger, CHHE).

Figura 2. Sección recta del cambiador compacto propuesto tipo panal de abeja (Compact Honeycomb Heat Exchanger, CHEE), y unidad térmica (Fuente: [2]).

Se ha considerado que el cambiador tipo CHHE está integrado en una planta termosolar acoplada a ciclo supercrítico, tal y como se muestra en la figura 1. El ciclo supercrítico sigue un esquema convencional de recompresión, de 50 MWe, con refrigeración por aire. El receptor central se ha diseñado de tipo tubular y cavidad, ya que las altas temperaturas de las sales (hasta 700 ºC) darían lugar a pérdidas térmicas elevadas en un receptor externo. El almacenamiento térmico consiste en 2 tanques de sales fundidas con múltiplo solar igual a 2.

Con estos supuestos, las condiciones de operación del CHHE están fijas, por lo que se puede hacer una optimización basada en el coste de inversión; se ha considerado que el cambiador de calor está equilibrado, y que la diferencia de temperatura entre ambas corrientes es igual a 40 ºC; además, la pérdida de carga más crítica, del lado del CO2, es igual a 2.5 bar. Así, se ha optimizado la configuración geométrica del CHHE, dando lugar a los resultados que se muestran en la figura 3.

Figura 3. Coste de inversión del intercambiador compacto tipo CHHE, en función de la anchura del canal de CO2, para diferentes diámetros de los canales circulares de sales fundidas (Fuente: [2]).

Como se observa en la figura 3, el diámetro del canal de sal fundida afecta al coste de inversión en mayor medida que la anchura del canal trapezoidal de CO2. Para cada diámetro de sal fundida, hay una anchura de canal de CO2 que minimiza el coste (línea roja de puntos en la figura 3). Estos mínimos corresponden a unos ratios similares entre las áreas de las secciones rectas de ambas corrientes (AsCO2/AMS ≈ 3.5)  y un coeficiente global de transmisión de calor entre 1200 y 1300 W/m2/ºC.

A partir de estos valores geométricos optimizados, se ha procedido a hacer un análisis exergético, que se describe de manera más detallada en el artículo:

https://www.mdpi.com/1099-4300/22/8/883

Referencias

[1] M.J. Montes, J.I. Linares, R. Barbero and B.Y. Moratilla, 2020. Optimization of a New Design of Molten Salt-to-CO2 Heat Exchanger Using Exergy Destruction Minimization. Entropy 22, 883.

[2] M.J. Montes, J.I. Linares, R. Abbas, A. Cantizano, R. Barbero and J. Porras, 2020. A New Design of the Molten Salt-to-sCO2 Heat Exchanger in Supercritical Solar Thermal Power Plants. 26th SolarPACES conference.

[3] J.E. Hesselgreaves (2017). Compact heat exchangers: selection, design, and operation. Ed. Elsevier, Amsterdam.

Contacto

María José Montes, Investigadora principal grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – mjmontes@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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