El estudio sobre la retención de elementos traza en distintos sorbentes y diferentes condiciones se ha llevado a cabo en un equipo a escala de laboratorio construido para el desarrollo del presente trabajo. El equipo consta fundamentalmente de un reactor de lecho fijo en el que se encuentra el sorbente y de un sistema capaz de generar una atmósfera similar a la producida en una típica gasificación de carbón. La mezcla gaseosa contiene en cada caso una cantidad conocida del elemento objeto de estudio en fase gas. El equipo se ha diseñado con el fin de cumplir los siguientes requerimientos:
1.-Posibilidad de utilizar distintas mezclas de gases para simular los diferentes productos que pueden ser obtenidos en la gasificación del carbón. Se podrá modificar la composición de las distintas atmósferas y la cantidad de elemento traza en el flujo de gases.
2.-Escala que permita la utilización de una cantidad de sorbente en la que se pueda llevar a cabo su posterior caracterización y el análisis de los productos retenidos.
3.-Posibilidad de controlar exactamente la temperatura del lecho y de poder modificarla con precisión.
4.-Posibilidad de retener completamente los productos tóxicos y evitar contaminaciones en el área en la que se realiza el trabajo.
Este equipo a escala de laboratorio se describe en la Figura 2. Consiste en un reactor de cuarzo que puede ser calentado por dos hornos tubulares cuya
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temperatura está controlada entre 100 y 1200ºC. El reactor (Figura 3), está formado por dos tubos de cuarzo concéntricos: un tubo interno de 2,5 cm de diámetro y 43 cm de longitud y uno externo de 3,5 cm de diámetro y 47 cm de longitud. Puesto que los hornos no están completamente aislados (Figura 4), la puesta a punto del equipo ha incluido las medidas de la uniformidad de la temperatura utilizando termopares colocados a diferentes alturas del reactor. Con ello se conocen exactamente las temperaturas de la mezcla de gases y del sorbente en las diferentes zonas del reactor. Las Figuras 5 y 6 ilustran los valores de las temperaturas programadas (T) y las temperaturas reales (TF) en los hornos [1] y [2] a diferentes alturas.
N2 N2 CO CO CO2 CO2 H2 H2 N2 N2 H2S H2S HCl HCl H2O(g) Termopares Mezclador
Figura 2.- Esquema del equipo experimental utilizado.
HNO30,5N / Baño de hielo
[5] Controlador temperatura F1[1] F2 [2] Fuente de Elemento Lecho Sorbente [3] [4]
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3
4
Figura 3.- Reactor utilizado. Figura 4.- Hornos utilizados. 3. Fuente de elemento. 4. Sorbente.
Figura 5.- Temperaturas medidas (TF) a distintas temperaturas programadas (T) y a diferentes alturas en el horno [2] cuando el horno [1] está apagado.
260 260 550 550 TF2 TF1 TF2 TF1 T1 T2 260 260 550 550 T1 T2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Altura (cm) 300 400 500 600 700 800 TF 2 (º C ) Horno 2 450ºC 550ºC 650ºC 750ºC
II.2. Metodología, Técnicas y Equipos 42 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Altura (cm) 100 200 300 400 500 600 700 800 TF 1 (º C ) Horno 1 450ºC 550ºC 650ºC 750ºC
Figura 6.- Temperaturas medidas (TF) a distintas temperaturas programadas (T) y a diferentes alturas en el horno [1] cuando el horno [2] está apagado.
Las atmósferas utilizadas conteniendo CO, CO , H , H O, N , H2 2 2 2 2S y HCl se han
preparado mezclando estos gases puros en distintas proporciones (Anexo 1), mientras que el elemento traza en fase gas se ha producido por evaporación controlada de un compuesto sólido en la corriente gaseosa. Para ello, una cantidad conocida de compuesto puro del elemento objeto de estudio se colocó en la navecilla [3] (Figuras 2-3) que se encuentra en la zona del horno [2], en donde se calentó a la temperatura adecuada para conseguir su evaporación a una velocidad constante, tal y como se describirá en el apartado III.2.3.2. El sorbente mezclado con una sustancia inerte [4] se colocó en el fondo del reactor, que es una placa porosa. La zona del reactor en la que se encuentra el sorbente se calentó a la temperatura deseada por el horno [1].
Las experiencias de retención se han realizado en todos los casos siguiendo el mismo procedimiento. El lecho conteniendo el sorbente, se sometió a un
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calentamiento de 900ºC antes de cada experimento. Con ello se controlaron las transformaciones químicas o físicas del mismo debidas a un proceso térmico durante la experiencia. Este tratamiento a temperatura superior a la del experimento se realizó en la misma atmósfera a la que va a tener lugar la retención pero en ausencia del elemento traza. Una vez realizado el pretratamiento térmico, el lecho se enfrió hasta la temperatura elegida para realizar el experimento, que en todos los casos estuvo comprendida entre 350 y 750ºC, se introdujo en el reactor la navecilla con el compuesto puro del elemento traza que se utilizó como fuente, se cerró todo el dispositivo experimental y se hizo pasar la mezcla de gases a través del sorbente a un flujo y durante un tiempo previamente determinados. La navecilla conteniendo la fuente de elemento traza se calentó a la temperatura de evaporación prefijada y el lecho conteniendo el sorbente a la temperatura del experimento.
En cada experimento, una parte del elemento en fase vapor, quedó retenido en el sorbente y el resto se eliminó junto con los gases fuera del reactor, en donde en parte pudo condensarse en las zonas frías del equipo y en parte fué retenido en unos frascos lavadores de gases [5], (Figura 2). Los frascos lavadores contenían HNO3 0,5 N en donde los distintos metales quedan disueltos. Cuando la mezcla
gaseosa utilizada en el experimento contenía H2S o HCl, se incluyó un tercer
frasco lavador con Cd(OH)2 o NaOH, respectivamente.
Es importante recordar que las temperaturas en el lecho fueron superiores a los 350ºC y siempre por encima de las de evaporación del compuesto sólido utilizado como fuente de elemento en fase gas. De esta manera no cabe esperar que el compuesto estudiado condense sobre el sorbente. Sin embargo, sí se ha comprobado que para la mayor parte de los elementos, en las atmósferas
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reductoras que se utilizaron en el estudio, al disminuir la temperatura los compuestos presentes en fase gas se transforman en especies condensadas. A la salida del reactor, en las partes frías del equipo, se originan depósitos sólidos siendo la concentración de elemento eliminada en fase gas, menor que la que no fue capturada en el sorbente. Por esta razón la capacidad de retención del sorbente se ha evaluado determinando la concentración de elemento retenido en el sólido, en lugar de analizando la concentración del elemento disuelto en los frascos lavadores a la salida del reactor. Para llevar a cabo la determinación del elemento retenido, el sorbente se extrajo cuantitativamente del reactor, se molió y homogeneizó y se disolvió y analizó según los métodos que se describirán en el apartado III.4.