6.4 Computational Fluid Dynamics Study
6.7.2 Bearing Selection
En la tabla 13, se encuentra el análisis próximo, último y poder calorífico de los biocarbones obtenidos a partir de la gasificación en lecho fijo de las especies forestales. Al comparar el análisis próximo de los biocarbones con los obtenidos para las biomasas crudas (ver figura 5a, capítulo 1), se observa que en el proceso de gasificación hay una disminución del contenido de volátiles y un aumento en el contenido de carbono fijo y cenizas. Estos resultados son coherentes con los termogramas de los biocarbones (figura 19), en los cuales se observa que el rango de pérdida de masa es menor para los biocarbones en comparación a las biomasas crudas (figura 2), lo cual sugiere una menor reactividad por parte de los biocarbones debido a la pérdida de volátiles que se da en el proceso de gasificación. Adicionalmente, a partir de la tabla 13, se observa que los biocarbones presentan una humedad relativamente alta si se considera que provienen de un proceso de gasificación que alcanza cerca de 800°C, lo cual se atribuye a la humedad adsorbida de la atmósfera durante el tiempo que transcurrió entre la finalización del proceso de gasificación y el análisis de las muestras [95].
De acuerdo a los termogramas (figura 19), se observa que entre las muestras analizadas, el biocarbón más reactivo es el BC-AM, pues presenta una mayor pérdida de masa en los termogramas, es decir, un mayor contenido de volátiles.
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Tabla 13. Análisis próximo y último para biocarbones obtenidos a partir de gasificación en lecho fijo. Parámetro BC-PM BC-PP BC-EG BC-AM BC-GA
Análisis último en base seca y sin ceniza (%m)
C 91.28 89.60 89.73 86.68 90.36
H 1.80 2.11 1.57 2.24 1.43
N 0.15 0.30 0.26 0.47 0.15
S 0.81 0.78 0.85 0.82 0.81
O 5.96 7.21 7.59 9.79 7.25
Análisis próximo en base húmeda(%m)
Cenizas 1.15 1.29 2.16 1.67 2.18
Humedad 2.00 1.33 1.78 1.79 1.78
Carbono Fijo 84.01 87.87 84.71 73.32 84.45
Material volátil 12.84 9.51 11.35 23.23 11.59
PCSb.s. (MJ/kg) 33.425 33.067 32.426 31.962 32.513
Figura 19. Análisis termogravimétrico para biocarbones obtenidos a partir de gasificación en lecho
fijo.
Con los resultados del análisis último, se realizó el diagrama de Van Krevelen (figura 20), a partir de las relaciones atómicas O/C y H/C de los biocarbones, mediante el cual se observa que los biocarbones obtenidos presentan bajas relaciones de O/C y H/C en comparación a las biomasas crudas (ver figura 4bm, capítulo 1), lo cual es un indicativo del desarrollo de estructuras aromáticas en los biocarbones, pues de acuerdo a Kim et al., relaciones atómicas H/C menores a 0.5 indican una deficiencia de H en las moléculas, lo cual se atribuye a la presencia de estructuras de anillos aromáticos [98], [108]. Adicionalmente, se observa que los biocarbones obtenidos presentan un alto rango energético (similar a las antracitas), lo cual se ve reflejado en el poder calorífico presentado en la tabla 11, el cual es mayor a 30 MJ/kg para
51 todos los biocarbones analizados, siendo más alto para el BC-PM, por lo cual los biocarbones desarrollados podrían tener usos potenciales como energéticos; sin embargo en los análisis termogravimétricos (figura 19) se observa que la descomposición térmica de los biocarbones obtenidos es lenta, lo cual podría estar relacionado con una baja reactividad y por ende altas energías de activación para la liberación de volátiles, restando capacidad de reacción al combustible sólido, lo cual disminuiría rendimientos de conversión asociados a los procesos de gasificación y/o combustión [39].
Figura 20. Diagrama de Van Krevelen para biocarbones obtenidos a partir de gasificación en lecho fijo.
3.3.2 Análisis morfológico y estructural 3.3.2.1 FT-IR
En la figura 21, se encuentran los espectros FT-IR para los biocarbones obtenidos a partir de las especies forestales. Para los espectros analizados, se observa que en el intervalo de frecuencias entre 3590 cm-1 y 3700 cm-1 se encuentran picos correspondientes a enlaces O-H.
El menor tamaño de éstos se atribuye a la pérdida de hidratación debido a las altas temperaturas alcanzadas en el proceso de gasificación [100]. Los enlaces O-H (3200-3000 cm- 1) y CH (3100–3000 cm-1), son atribuidos a la hemicelulosa y celulosa, por lo cual se puede
concluir que a las temperaturas alcanzadas hay una degradación de éstos dos compuestos presentes en la madera (materia prima) debido a que no se observan picos representativos para ninguna de las muestras analizadas en éste rango de frecuencias [109]. Los picos encontrados para frecuencias entre 2850-2970 cm-1 se atribuyen a grupos funcionales alifáticos (enlaces C-
H). Estos picos son poco pronunciados para las muestras analizadas, lo cual es coherente debido a que a altas temperaturas alcanzadas en la gasificación, por lo que se da la degradación de compuestos alifáticos para dar paso a la formación de compuestos aromáticos [98]. Los picos encontrados entre 1750-1650 cm-1 muestran la deformación axial del carbonilo (C=O) de
ácidos, aldehidos y cetonas formados principalmente por la disociación de celulosa y hemicelulosa [98]. En el rango entre 1600-1580 cm-1 se encuentran las bandas asociadas a
enlaces aromáticos C=C y C=O asociados a cetonas y quinonas [109]. Finalmente, los picos entre 1400-1000 cm-1 son representativos de la lignina, principalmente debido a anillos del tipo C=C
52 [109]. Estos picos se encuentran un poco más pronunciados que los encontrados para la hemicelulosa y la celulosa, lo cual se puede atribuir a que la degradación de la lignina se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre 200-700°C [98].
Figura 21. Espectro FT-IR para los biocarbones obtenidos a partir de gasificación en lecho fijo.
3.3.2.2 Análisis BET
En la tabla 14, se encuentran las principales características superficiales de los biocarbones obtenidos. De acuerdo al tamaño promedio de poro, todas las muestras analizadas se pueden clasificar como mesoporosas debido a que presentan tamaños de poro entre 0.2 y 50 nm [110]. Con respecto al área superficial BET, se observa que el biocarbón derivado de la especie Pinus Maximinoi (BC-PP) presenta la mayor área superficial, con un valor de 299.3 m2/g, mientras
53 superficial, con un valor de 1.7 m2/g. Algunos autores han obtenido áreas superficiales con
valores del mismo orden de magnitud para biocarbones obtenidos a partir de procesos de gasificación. Qian et al. obtuvieron biocarbones con áreas superficiales entre 0.7 y 60 m2/g a
partir de la gasificación en lecho fluidizado de Panicum virgatum, paja de sorgo y cedro rojo con diferentes relaciones equivalentes de aire [95], mientras que Brewer obtuvo biocarbones con áreas superficiales entre 24 y 31 m2/g a partir de la gasificación en lecho fluidizado burbujeante
de rastrojo de maíz and switchgrass [91].
De acuerdo a las áreas superficiales determinadas, se espera que entre los biocarbones obtenidos, el derivado de la especie Pinus Pátula tenga aplicaciones similares a las del carbón activado [91], [111]. Al comparar el área superficial BET de los biocarbones obtenidos con respecto a la del carbón activado, la cual es superior a 500 m2/g [112], se podría concluir que a
excepción del BC-PP, los biocarbones desarrollados presentan áreas superficiales bajas, por lo cual se espera que presenten una baja capacidad de adsorción, haciendo que sea necesario realizar procesos de activación si se desea hacer uso de éstos para aplicaciones como adsorbente.
Tabla 14. Porosidad de la superficie de los biocarbones. Muestra Área superficial BET
(m2/g)
Diámetro promedio de poro (nm)
Volumen total de poro (cm3/g) BC-AM 48.73 4.249 0.052 BC-GA 1.69 47.06 0.020 BC-EG 30.10 5.313 0.040 BC-PP 299.3 2.604 0.195 BC-PM 52.81 3.748 0.049 3.3.2.3 Análisis SEM-EDX
En la figura 22 se encuentran las micrografías SEM para los biocarbones analizados, mediante las cuales se observa que en general todas las muestras analizadas presentan amorficidad, siendo más amorfo el biocarbón obtenido a partir de la especie Gmelina Arbórea (BC-GA) cuyos resultados muestran poros poco definidos.
Entre las muestras evaluadas, los biocarbones BC-PP, BC-PM y BC-AM presentan un mejor desarrollo de poros (poros mejor definidos), con tamaños de poro más pequeños con respecto a los poros desarrollados por las otras dos especies (BC-EG y BC-GA). Para el BC-GA, se observa que los poros son poco uniformes y de tamaño mucho mayor en comparación a las otras muestras. Estos resultados son coherentes con los resultados obtenidos mediante análisis BET, en los cuales se encontró que el biocarbón BC-PP presenta mayor área superficial entre las muestras analizadas y menor tamaño de poro, mientras que el BC-GA presenta la menor área superficial y el mayor tamaño de poro (tabla 14). Esto permite inferir que entre los biocarbones analizados, el BC-PP podría presentar una mejor capacidad de adsorción.
54 100 µm 100 µm 10 µm 10 µm BC-AM BC-GA BC-EG BC-PP BC-PM
Figura 22. Micrografías SEM para biocarbones
En la tabla 15, se encuentra la composición de carbono y oxígeno en la superficie del biocarbón. Se observa que los biocarbones analizados presentan un contenido similar de oxígeno y carbono, mostrando que las todas las especies presentan un grado de carbonización similar, lo cual se atribuye a que la temperaturas alcanzadas en los procesos de gasificación estuvieron para todos los casos alrededor de 700°C [104].
Adicionalmente, la composición de Na, K y Ca para las muestras analizadas se encuentran reportadas en la tabla 15. La distribución del contenido de estos minerales es una característica importante cuando el biocarbón es utilizado como remediador de suelos, debido a que estos minerales son nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas [95]. Entre las muestras analizadas, el BC-GA presenta el mayor contenido de minerales por lo cual éste podría ser el biocarbón más útil para aplicaciones como remediador de suelos, sin embargo, teniendo en cuenta que el EDX no tiene una resolución muy alta para este tipo de muestras, es aconsejable realizar pruebas adicionales como espectrometría de masas con plasma acoplado (ICP) con el fin de tener valores más confiables y determinar adicionalmente el contenido de metales
55 pesados como P, Al, Cr, Ni, Cu, Fe y Mn, teniendo en cuenta que éstos no son deseados para el crecimiento de las plantas [95].
Tabla 15. Contenido de carbón, oxígeno y algunos minerales en la superficie de los biocarbones,
obtenidos mediante SEM-EDX. (%m)
Muestra C O Na Al K Ca BC-AM 81.63 18.07 0.11 --- 0.09 0.1 BC-GA 88.36 9.12 --- --- 1.33 0.89 BC-EG 87.51 10.25 --- --- 0.41 0.54 BC-PP 86.36 11.63 --- --- 0.74 1.07 BC-PM 89.17 10.06 --- 0.24 0.30 0.24