Diseño de una planta para la separación de catalizadores inmovilizados en nanopartículas magnéticas empleados para la degradación de lignina

Abstract

[ES] El trabajo planteado combina un desarrollo experimental de un catalizador inmovilizado en nanopartículas magnéticas (MNP) y el diseño de un equipo que permita su separación efectiva. Para el diseño del proceso de separación, se han considerado diferentes alternativas y se ha optado por un filtro magnético de alto gradiente (HGMF), donde, aprovechando las propiedades paramagnéticas de las nanopartículas, se consigue la separación aplicando un campo magnético sobre un fluido en circulación que contiene el catalizador en suspensión. El diseño del proceso incluye, como aspectos a destacar, el diseño de la instalación hidráulica que permita el correcto transporte de las partículas junto a la estimación de la intensidad del campo magnético necesario para llevar a cabo la separación eficaz. Además, se realizará un estudio sobre los costes de inversión y operación de la planta. En cuanto al desarrollo experimental, se basa en utilizar nanopartículas de óxido ferroso-férrico (magnetita), las cuales permiten combinar una elevada relación entre superficie y volumen, debido a su tamaño, y unas propiedades paramagnéticas que permitan su separación. El proceso de inmovilización se realiza mediante tres pasos: la formación de una capa de sílice mediante el método sol-gel utilizando como precursor ortosilicato de tetraetilo (TEOS) y, su posterior funcionalización utilizando otro alcóxido como es el (3-aminopropil)trietoxisilano (APTES) el cual permite la unión del catalizador 4-amino-2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxil, más comúnmente conocido como 4-amino-TEMPO. El paso final del desarrollo experimental es determinar la capacidad catalítica del mismo para la degradación de alcoholes primarios y otros compuestos relacionados con la lignina.

[EN] The proposed work combines the experimental development of a catalyst immobilized on magnetic nanoparticles (MNPs) with the design of equipment to enable its effective separation. After considering several different alternatives, a high-gradient magnetic filter (HGMF) was selected for designing the separation process. This approach takes advantage of the paramagnetic properties of the nanoparticles, allowing separation to be carried out through the application of a magnetic field to a circulating fluid containing the suspended catalyst. Key aspects of process design included the hydraulic system configuration to ensure proper particle transport and the required magnetic field strength to achieve effective separation. In addition, an analysis of the investment and operating costs of the plant was conducted. The experimental development focused on the use of iron oxide nanoparticles (magnetite) due to their high surface-to-volume ratio and paramagnetic properties which favour separation. The catalyst immobilisation process comprised in three steps. The first step is the formation of a silica layer by the sol-gel method using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a precursor. The second step is the functionalisation of the silica layer using an aminated silicon alkoxide derivative such as (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES). The final step involves the binding of the active catalyst 4-amino-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) by the reaction of an amine derivative (4- amino-TEMPO) with the amino-functionalized silica coating. The last stage of the experimental development is the assessment of the catalyst activity capacity in the degradation of primary alcohols and other compound associated with lignin.