Diseño, modificación y estudio de la capacidad de adsorción de CO2 de hidróxidos dobles laminares (LDH)

Abstract

[ES] Este trabajo de final de máster se centra en el diseño, modificación y estudio de la capacidad de adsorción de CO2 de sólidos de tipo hidróxidos dobles laminares (LDH) y arcillas naturales como materiales sostenibles para capturar CO2 y dar una solución a la problemática ambiental actual referente al calentamiento global. Además, estos adsorbedores sólidos porosos podrían ser una alternativa para reducir significativamente el coste de la captura de CO2, pues en el caso de las arcillas minerales son materiales abundantes y de bajo coste. Para ello se escogieron tanto una hidrotalcita o LDH comercial y algunas arcillas minerales comerciales (sepiolita (Sep) y montmorillonita (MMT)) y sobre estos se realizaron una serie de modificaciones superficiales y químicas. Por una parte, se han exfoliado las muestras en presencia de diferentes surfactantes (dodecilsulfato de sodio (DS), hexadeciltrimetilamonio de bromo (CTAB) o tetrapropilamonio de bromo (TPABr)) para estudiar el efecto de su estructura y también sobre estas se llevó a cabo un grafting con aminosilanos, concretamente aminopropiltetrametil silano (APTES), con diferentes porcentajes (2,5%, 5% y 10%) de modo que se incremente la capacidad de adsorción/captura de CO2 gracias a la interacción de los grupo amino con el gas. Por tanto, vemos que el estudio llevado a cabo concluye que la mejor capacidad de adsorción se obtiene para la MMT con las modificaciones realizadas. Cuando se introdujo CTAB y se intercaló un 10% de APTES obtuvo una adsorción de 0,5 mmol/g vs 0,3 mmol/g que adsorbió la MMT sin modificar. Las muestras con DS y 2,5% de APTES y con TPABr y 5% de APTES también presentaron un aumento en la adsorción con un valor de 0,4 mmol/g. Por otra parte, como alternativa a la modificación por exfoliación y grafting, se hizo un intercambio catiónico con Cs a las diferentes muestras laminares de modo que se ampliara el espacio interlaminar. Esta modificación hizo que la MMT fuera la única muestra que aumentara su capacidad de adsorción (0,9 mmol/g) y su área superficial (308,2 m2/g). En el LDH se observó que el tamaño del catión Cs no fue el adecuado para intercalarse entre las láminas y en el caso de la Sep se observó un efecto de bloqueo de poro al introducirse el catión que hizo que redujo el área BET y la capacidad de adsorción del material. Estos resultados obtenidos se han completado con ensayos de caracterización de análisis elemental (AE), espectroscopía infrarroja (FT-IR), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Por tanto, el estudio llevado a cabo concluye que no se siguió ninguna tendencia igual entre los diferentes surfactantes utilizados y los porcentajes de APTES que se introdujeron. Por tanto, los resultados obtenidos han sido un balance entre el efecto que tiene el surfactante en el material que puede aumentar el espacio interlaminar y bloquear los poros y el efecto del grafting con aminosilano.

[EN] This master's thesis focuses on the design, modification and study of the CO2 adsorption capacity of solids of the lamellar double hydroxide (LDH) type and natural clays as sustainable materials to capture CO2 and provide a solution to current environmental problems. regarding global warming. In addition, these porous solid adsorbers could be an alternative to significantly reduce the cost of CO2 capture, since in the case of mineral clays they are abundant and low-cost materials. For this purpose, both a commercial hydrotalcite or LDH and some commercial mineral clays (sepiolite (Sep) and montmorillonite (MMT)) were chosen, and a series of surface and chemical modifications were carried out on these. On the one hand, the samples have been exfoliated in the presence of different surfactants (sodium dodecyl sulfate (DS), hexadecyltrimethylammonium bromine (CTAB) or tetrapropylammonium bromine (TPABr)) to study the effect of their structure, and on these they were also carried out Grafted with aminosilanes, specifically aminopropyltetramethyl silane (APTES), with different percentages (2,5%, 5% and 10%) so that the CO2 adsorption/capture capacity is increased thanks to the interaction of the amino groups with the gas. Therefore, we see that the study carried out concludes that the best adsorption capacity is obtained for the MMT with the modifications made. When CTAB was introduced and 10% APTES was intercalated an adsorption of 0.5 mmol/g was obtained vs. 0.3 mmol/g which adsorbed the unmodified MMT. The samples with DS and 2.5% APTES and with TPABr and 5% APTES also showed an increase in adsorption with a value of 0.4 mmol/g. On the other hand, as an alternative to the modification by exfoliation and grafting, a cationic exchange with Cs was carried out on the different laminar samples so that the interlaminar space was enlarged. This modification made MMT the only sample that increased its adsorption capacity (0,9 mmol/g) and its surface area (308,2 m2/g). In LDH, it was shown that the size of the Cs cation was not adequate to intercalate between the sheets and in the case of Sep, a pore-blocking effect was shown when the cation was introduced, which reduced the BET area and the capacity of material adsorption. These results obtained have been completed with elemental analysis (AE), infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) characterization tests. Therefore, the study carried out concluded that no equal trend was followed between the different surfactants used and the percentages of APTES that were introduced. Therefore, the results obtained have been a balance between the effect that the surfactant has on the material, which can increase the interlaminar space and block the pores, and the effect of grafting with aminosilane.