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Articulo de referencia

Pirólisis

Trozos de madera en llamas, que muestran diversas etapas de pirólisis, seguidas de combustión oxidativa. La pirólisis ( / p aɪ ˈ r ɒ l ɪ s ɪ s / ; del griego antiguo πῦρ ( pûr )...

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Trozos de madera en llamas, que muestran diversas etapas de pirólisis, seguidas de combustión oxidativa.

La pirólisis ( / p aɪ ˈ r ɒ l ɪ s ɪ s / ; del griego antiguo πῦρ ( pûr ) ' fuego ' y λύσις ( lúsis ) ' separación ' ) es un proceso que implica la separación de enlaces covalentes en materia orgánica por descomposición térmica dentro de un ambiente inerte sin oxígeno . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]  

Aplicaciones

La pirólisis se utiliza con mayor frecuencia en el tratamiento de materiales orgánicos . Es uno de los procesos involucrados en la carbonización de la madera. [ 4 ] En general, la pirólisis de sustancias orgánicas produce productos volátiles y deja carbón , un residuo sólido rico en carbono. La pirólisis extrema, que deja principalmente carbono como residuo, se llama carbonización . La pirólisis se considera uno de los pasos en los procesos de gasificación o combustión . [ 5 ] [ 6 ] Comparado con el gas de síntesis , el gas de pirólisis tiene un alto porcentaje de fracciones pesadas de alquitrán, que se condensan a temperaturas relativamente altas, lo que impide su uso directo en quemadores de gas y motores de combustión interna.

El proceso se utiliza ampliamente en la industria química , por ejemplo, para producir etileno , diversas formas de carbono y otros productos químicos a partir de petróleo, carbón e incluso madera, o para producir coque a partir de carbón . También se utiliza en la conversión de gas natural (principalmente metano ) en hidrógeno gaseoso y carbón sólido , introducido recientemente a escala industrial. [ 7 ] Las aplicaciones ambiciosas de la pirólisis convertirían la biomasa en gas de síntesis y biocarbón , los residuos plásticos en aceite utilizable o los residuos en sustancias desechables seguras.

Terminología

La pirólisis es uno de los diversos tipos de procesos de degradación química que ocurren a temperaturas más altas (por encima del punto de ebullición del agua u otros disolventes). Se diferencia de otros procesos como la combustión y la hidrólisis en que generalmente no implica la adición de otros reactivos como el oxígeno ( O2 , en combustión) o agua (en hidrólisis). [ 8 ] La pirólisis produce sólidos (carbón vegetal),líquidoscondensablesalquitrán) y gases no condensables. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

La pirólisis es diferente de la gasificación . En la industria de procesos químicos, la pirólisis se refiere a una degradación térmica parcial de materiales carbonosos que tiene lugar en una atmósfera inerte (libre de oxígeno) y produce gases, líquidos y sólidos. La pirólisis puede extenderse a la gasificación completa , que produce principalmente un producto gaseoso, [ 13 ] a menudo con la adición de, por ejemplo, vapor de agua para gasificar los sólidos carbonosos residuales, véase Reformado con vapor .

Tipos

Los tipos específicos de pirólisis incluyen:

Otros tipos de pirólisis provienen de una clasificación diferente que se centra en las condiciones de operación y el sistema de calentamiento utilizados, los cuales influyen en el rendimiento de los productos de pirólisis.

Historia

Carbón de roble

La pirólisis se ha utilizado para convertir la madera en carbón vegetal desde la antigüedad. Los antiguos egipcios utilizaban la fracción líquida obtenida de la pirólisis de la madera de cedro en su proceso de embalsamamiento . [ 17 ]

La destilación seca de la madera siguió siendo la principal fuente de metanol hasta principios del siglo XX. [ 18 ] La pirólisis fue fundamental en el descubrimiento de muchas sustancias químicas, como el fósforo del fosfato de hidrógeno de sodio y amonio NH 4 NaHPO 4 en la orina concentrada , el oxígeno del óxido mercúrico y varios nitratos . [ 19 ]

Componentes de la destilación de madera

La destilación destructiva de maderas resinosas (como el pino o el cedro), en la que la madera se calienta en ausencia de aire, la descompone en componentes químicos útiles.

Descomposición térmica primaria: Cuando las maderas resinosas se someten a pirólisis tradicional, la destilación forma tres estados físicos:

  • Gas : Vapores volátiles que se utilizan a menudo como combustible.
  • Carbón vegetal : El residuo sólido de carbono que queda en el horno.
  • Destilado líquido: Los vapores condensados ​​que constituyen la base para su posterior refinamiento.

Separación del líquido: El destilado líquido se separa naturalmente (o se procesa) en dos capas distintas:

  • Ácido piroleñoso : Una capa acuosa (a base de agua) que contiene ácido acético y metanol.
  • Alquitrán crudo: Una mezcla espesa, oscura y aceitosa que contiene los compuestos orgánicos más pesados.

Destilación fraccionada del alquitrán crudo: El alquitrán crudo se destila posteriormente en función de su densidad y puntos de ebullición para producir:

  • Aceites ligeros ( trementina ): Aceites más ligeros que el agua que suben a la superficie.
  • Alquitrán o brea : El residuo denso, casi sólido, que queda en el fondo.
  • Aceites pesados ​​( creosota ): Se trata de aceites más densos que el agua. Esta fracción específica es la creosota de uso médico o industrial, valorada por sus propiedades conservantes y antisépticas.

Procesos y mecanismos generales

Procesos en la degradación térmica de la materia orgánica a presión atmosférica

La pirólisis generalmente consiste en calentar el material por encima de su temperatura de descomposición , rompiendo los enlaces químicos de sus moléculas. Los fragmentos suelen convertirse en moléculas más pequeñas, pero pueden combinarse para producir residuos con mayor masa molecular, incluso sólidos covalentes amorfos .

En muchos entornos, pueden estar presentes ciertas cantidades de oxígeno, agua u otras sustancias, lo que permite que se produzcan procesos químicos como la combustión, la hidrólisis u otros, además de la pirólisis propiamente dicha. En ocasiones, estos compuestos químicos se añaden intencionadamente, como en la quema de leña, en la fabricación tradicional de carbón vegetal y en el craqueo con vapor del petróleo crudo.

Por el contrario, la materia prima puede calentarse al vacío o en atmósfera inerte para evitar reacciones químicas secundarias (como la combustión o la hidrólisis ). La pirólisis al vacío también reduce el punto de ebullición de los subproductos, lo que mejora su recuperación.

Cuando la materia orgánica se calienta a temperaturas crecientes en recipientes abiertos, generalmente ocurren los siguientes procesos, en etapas sucesivas o superpuestas:

  • Por debajo de los 100  °C, los compuestos volátiles, incluida parte del agua, se evaporan. Las sustancias termosensibles, como la vitamina C y las proteínas , pueden alterarse o descomponerse parcialmente ya en esta etapa.
  • Aproximadamente a 100  °C o un poco más, el agua restante que se encuentra absorbida en el material se evapora. Este proceso consume mucha energía , por lo que la temperatura puede dejar de subir hasta que toda el agua se haya evaporado. El agua atrapada en la estructura cristalina de los hidratos puede evaporarse a temperaturas algo más elevadas.
  • Algunas sustancias sólidas, como las grasas, las ceras y los azúcares, pueden derretirse y separarse.
  • Entre 100 y 500  °C, muchas moléculas orgánicas comunes se descomponen. La mayoría de los azúcares comienzan a descomponerse a 160–180  °C. La celulosa , un componente principal de la madera, el papel y los tejidos de algodón, se descompone a unos 350  °C. [ 5 ] La lignina , otro componente principal de la madera, comienza a descomponerse a unos 350  °C, pero continúa liberando productos volátiles hasta los 500  °C. [ 5 ] Los productos de descomposición suelen incluir agua, monóxido de carbono CO y/o dióxido de carbono CO 2 , así como una gran cantidad de compuestos orgánicos. [ 6 ] [ 20 ] Los gases y productos volátiles abandonan la muestra, y algunos de ellos pueden condensarse de nuevo como humo. Generalmente, este proceso también absorbe energía. Algunos volátiles pueden encenderse y arder, creando una llama visible . Los residuos no volátiles suelen enriquecerse en carbono y forman grandes moléculas desordenadas, con colores que van del marrón al negro. En este punto se dice que la materia se ha " carbonizado " o "quemado".
  • A 200–300  °C, si no se ha excluido el oxígeno, el residuo carbonáceo puede comenzar a arder en una reacción altamente exotérmica , a menudo sin llama visible o con llama mínima. Una vez que comienza la combustión del carbono, la temperatura aumenta espontáneamente, convirtiendo el residuo en una brasa incandescente y liberando dióxido de carbono y/o monóxido de carbono . En esta etapa, parte del nitrógeno que aún permanece en el residuo puede oxidarse en óxidos de nitrógeno como NO₂ y N₂O₃ . El azufre y otros elementos como el cloro y el arsénico pueden oxidarse y volatilizarse en esta etapa.
  • Una vez completada la combustión del residuo carbonáceo, suele quedar un residuo mineral sólido o en polvo (ceniza), compuesto por materiales inorgánicos oxidados de alto punto de fusión. Parte de la ceniza puede haberse dispersado durante la combustión, arrastrada por los gases como ceniza volante o emisiones de partículas . Los metales presentes en la materia original suelen permanecer en la ceniza como óxidos o carbonatos , como la potasa . El fósforo , procedente de materiales como huesos , fosfolípidos y ácidos nucleicos , suele permanecer como fosfatos .

Desafíos de seguridad

Debido a que la pirólisis se lleva a cabo a altas temperaturas que superan la temperatura de autoignición de los gases producidos, existe riesgo de explosión si hay oxígeno presente. Se requiere un control preciso de la temperatura en los sistemas de pirólisis, lo cual se puede lograr con un controlador de pirólisis. [ 21 ] La pirólisis también produce varios gases tóxicos, como el monóxido de carbono . El mayor riesgo de incendio, explosión y liberación de gases tóxicos se produce durante el arranque y la parada del sistema, cuando este funciona de forma intermitente o durante fallos operativos. [ 22 ]

La purga con gas inerte es esencial para gestionar los riesgos inherentes de explosión. El procedimiento no es trivial y la falta de control del oxígeno ha provocado accidentes. [ 23 ]

Ocurrencia y usos

Química clandestina

La conversión de CBD a THC puede producirse por pirólisis. [ 24 ] [ 25 ]

Cocinando

Cebollas marrones con zanahorias y apio en una sartén.
Las cebollas caramelizadas están ligeramente pirolizadas.
Un disco negro y doblado, apenas reconocible como una pizza, se yergue rígido sobre un plato (fresco y blanco).
Esta pizza está pirolizada, casi completamente carbonizada.

La pirólisis tiene muchas aplicaciones en la preparación de alimentos. [ 26 ] La caramelización es la pirólisis de los azúcares en los alimentos (a menudo después de que los azúcares se han producido por la descomposición de los polisacáridos ). El alimento se vuelve marrón y cambia de sabor. Los sabores distintivos se utilizan en muchos platos; por ejemplo, la cebolla caramelizada se usa en la sopa de cebolla francesa . [ 27 ] [ 28 ] Las temperaturas necesarias para la caramelización están por encima del punto de ebullición del agua. [ 27 ] El aceite de freír puede fácilmente superar el punto de ebullición. Poner una tapa en la sartén mantiene el agua dentro, recondensando parte y manteniendo la temperatura demasiado baja para que se dore.

La pirólisis de los alimentos también puede ser indeseable, como en el caso de la carbonización de alimentos quemados (a temperaturas demasiado bajas para que la combustión oxidativa del carbono produzca llamas y reduzca los alimentos a cenizas ).

Coque, carbón vegetal, carbones y residuos de carbón.

Briquetas de carbón vegetal , a menudo hechas de serrín comprimido o similar, en uso

El carbono y los materiales ricos en carbono poseen propiedades deseables, pero no son volátiles, incluso a altas temperaturas. Por consiguiente, la pirólisis se utiliza para producir diversos tipos de carbono, que pueden emplearse como combustible, como reactivos en la siderurgia (coque) y como materiales estructurales.

El carbón vegetal es un combustible menos humeante que la madera pirolizada. [ 29 ] Algunas ciudades prohíben, o solían prohibir, las fogatas; cuando los residentes solo usan carbón vegetal (y carbón de roca tratado de manera similar, llamado coque ), la contaminación del aire se reduce significativamente. En ciudades donde la gente generalmente no cocina ni calienta con fuego, esto no es necesario. A mediados del siglo XX, la legislación "sin humo" en Europa exigió técnicas de combustión más limpias, como el combustible de coque [ 30 ] y los incineradores de combustión de humo [ 31 ] como una medida eficaz para reducir la contaminación del aire. [ 30 ]

Una fragua de herrero, con un soplador que impulsa aire a través de un lecho de combustible para elevar la temperatura del fuego. En la periferia, el carbón se piroliza, absorbiendo calor; el coque en el centro es casi carbono puro y libera mucho calor cuando se oxida.
Productos orgánicos típicos obtenidos por pirólisis del carbón (X = CH, N)

El proceso de fabricación de coque o "coquización" consiste en calentar el material en "hornos de coquización" a temperaturas muy altas (hasta 900 °C o 1700 °F ) para que las moléculas se descompongan en sustancias volátiles más ligeras, que salen del recipiente, y un residuo poroso pero duro que es principalmente carbono y ceniza inorgánica. La cantidad de volátiles varía con el material de origen, pero suele ser del 25 al 30 % del mismo en peso. La pirólisis a alta temperatura se utiliza a escala industrial para convertir el carbón en coque . Esto es útil en metalurgia , donde las temperaturas más altas son necesarias para muchos procesos, como la fabricación de acero . Los subproductos volátiles de este proceso también suelen ser útiles, incluyendo benceno y piridina . [ 32 ] El coque también se puede producir a partir del residuo sólido que queda del refinado de petróleo.  

La estructura vascular original de la madera y los poros creados por la liberación de gases se combinan para producir un material ligero y poroso. Partiendo de un material denso similar a la madera, como cáscaras de nuez o huesos de melocotón, se obtiene un tipo de carbón vegetal con poros particularmente finos (y, por lo tanto, una superficie porosa mucho mayor), llamado carbón activado , que se utiliza como adsorbente para una amplia gama de sustancias químicas.

El biocarbón es el residuo de la pirólisis orgánica incompleta, por ejemplo, de los fuegos de cocina. Es un componente clave de los suelos de terra preta asociados con antiguas comunidades indígenas de la cuenca amazónica . [ 33 ] La terra preta es muy apreciada por los agricultores locales por su fertilidad superior y su capacidad para promover y retener una mayor variedad de microbiota beneficiosa, en comparación con el suelo rojo típico de la región. Se están realizando esfuerzos para recrear estos suelos mediante el biocarbón , el residuo sólido de la pirólisis de diversos materiales, principalmente desechos orgánicos.

Fibras de carbono producidas mediante la pirólisis de un capullo de seda. Micrografía electrónica; la barra de escala en la parte inferior izquierda muestra 100 μm .

Las fibras de carbono son filamentos de carbono que se utilizan para fabricar hilos y textiles muy resistentes. Los artículos de fibra de carbono se producen a menudo mediante el hilado y tejido del artículo deseado a partir de fibras de un polímero adecuado , y posteriormente la pirólisis del material a alta temperatura (entre 1500 y 3000 °C o entre 2730 y 5430 °F ). Las primeras fibras de carbono se fabricaron con rayón , pero el poliacrilonitrilo se ha convertido en el material de partida más común. Para sus primeras lámparas eléctricas funcionales, Joseph Wilson Swan y Thomas Edison utilizaron filamentos de carbono obtenidos mediante la pirólisis de hilos de algodón y astillas de bambú, respectivamente.  

La pirólisis es la reacción que se utiliza para recubrir un sustrato preformado con una capa de carbono pirolítico . Esto se suele realizar en un reactor de lecho fluidizado calentado a 1000–2000 °C o 1830–3630 °F . Los recubrimientos de carbono pirolítico se utilizan en numerosas aplicaciones, incluidas las válvulas cardíacas artificiales . [ 34 ]  

Biocombustibles líquidos y gaseosos

La pirólisis es la base de varios métodos para producir combustible a partir de biomasa , es decir, biomasa lignocelulósica . [ 35 ] Los cultivos estudiados como materia prima de biomasa para la pirólisis incluyen pastos nativos de las praderas norteamericanas, como el pasto varilla , y versiones mejoradas de otros pastos, como Miscantheus giganteus . Otras fuentes de materia orgánica como materia prima para la pirólisis incluyen residuos vegetales, aserrín, madera de desecho, hojas, vegetales, cáscaras de nueces, paja, desechos de algodón, cáscaras de arroz y cáscaras de naranja. [ 5 ] Los desechos animales, incluyendo la cama de aves de corral, el estiércol de ganado lechero y potencialmente otros estiércoles, también están en evaluación. Algunos subproductos industriales también son materia prima adecuada, incluyendo lodos de papel, granos de destilería, [ 36 ] y lodos de depuradora. [ 37 ]

En los componentes de la biomasa, la pirólisis de la hemicelulosa ocurre entre 210 y 310  °C. [ 5 ] La pirólisis de la celulosa comienza entre 300 y 315  °C y termina entre 360 ​​y 380  °C, con un pico entre 342 y 354  °C. [ 5 ] La lignina comienza a descomponerse alrededor de los 200  °C y continúa hasta los 1000  °C. [ 38 ]

El combustible diésel sintético obtenido por pirólisis de materiales orgánicos aún no es económicamente competitivo. [ 39 ] A veces se logra una mayor eficiencia mediante pirólisis instantánea , en la que la materia prima finamente dividida se calienta rápidamente a entre 350 y 500 °C (660 y 930 °F) durante menos de dos segundos.  

El gas de síntesis se produce generalmente por pirólisis. [ 26 ]

La baja calidad de los aceites producidos mediante pirólisis puede mejorarse mediante procesos físicos y químicos, [ 40 ] lo que podría aumentar los costos de producción, pero puede tener sentido económicamente a medida que cambien las circunstancias.

También existe la posibilidad de integrar con otros procesos como el tratamiento mecánico biológico y la digestión anaeróbica . [ 41 ] La pirólisis rápida también se investiga para la conversión de biomasa. [ 42 ] El bioaceite combustible también se puede producir mediante pirólisis acuosa .

Pirólisis de metano para la producción de hidrógeno

Ilustración de las entradas y salidas de la pirólisis del metano, un proceso eficiente de un solo paso para producir hidrógeno sin generar gases de efecto invernadero.

La pirólisis del metano [ 43 ] es un proceso industrial para la producción de hidrógeno "turquesa" a partir de metano mediante la eliminación de carbono sólido del gas natural . [ 44 ] Este proceso de un solo paso produce hidrógeno en alto volumen a bajo costo (menor que el reformado con vapor con secuestro de carbono ). [ 45 ] No se libera ningún gas de efecto invernadero. No se necesita la inyección de dióxido de carbono en pozos profundos. Solo se libera agua cuando el hidrógeno se utiliza como combustible para el transporte de camiones pesados ​​eléctricos con celdas de combustible , [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] la generación de energía eléctrica con turbinas de gas, [ 51 ] [ 52 ] e hidrógeno para procesos industriales que incluyen la producción de fertilizantes de amoníaco y cemento. [ 53 ] [ 54 ] La pirólisis del metano es el proceso que opera alrededor de 1065  °C para producir hidrógeno a partir de gas natural que permite la eliminación de carbono fácilmente (el carbono sólido es un subproducto del proceso). [ 55 ] [ 56 ] El carbono sólido de calidad industrial puede venderse o depositarse en vertederos y no se libera a la atmósfera, evitando así la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) o la contaminación de las aguas subterráneas proveniente de un vertedero.

En 2015, una empresa llamada Monolith Materials construyó una planta piloto en Redwood City, CA para estudiar la ampliación de la pirólisis de metano utilizando energía renovable en el proceso. [ 57 ] Un proyecto piloto exitoso luego condujo a una planta de demostración comercial más grande en Hallam, Nebraska en 2016. [ 58 ] A partir de 2020, esta planta está operativa y puede producir alrededor de 14 toneladas métricas de hidrógeno por día. En 2021, el Departamento de Energía de EE. UU. respaldó los planes de Monolith Materials para una expansión importante con una garantía de préstamo de $1000 millones. [ 59 ] La financiación ayudará a producir una planta capaz de generar 164 toneladas métricas de hidrógeno por día para 2024. Se están llevando a cabo proyectos piloto con empresas de servicios de gas y plantas de biogás con empresas como Modern Hydrogen. [ 60 ] [ 61 ] La producción en volumen también se está evaluando en la planta piloto de BASF "pirólisis de metano a escala", [ 7 ] el equipo de ingeniería química de la Universidad de California - Santa Bárbara [ 62 ] y en laboratorios de investigación como el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe (KALLA). [ 63 ] La energía para el calor de proceso consumido es solo una séptima parte de la energía consumida en el método de electrólisis del agua para producir hidrógeno. [ 64 ]

La empresa australiana Hazer Group se fundó en 2010 para comercializar tecnología desarrollada originalmente en la Universidad de Australia Occidental. La empresa cotiza en la ASX desde diciembre de 2015. Actualmente está finalizando un proyecto de demostración comercial para producir hidrógeno y grafito renovables a partir de aguas residuales y mineral de hierro, utilizando como catalizador una tecnología creada por la Universidad de Australia Occidental (UWA). El proyecto de la Planta de Demostración Comercial es pionero en Australia y se espera que produzca alrededor de 100 toneladas de hidrógeno de grado combustible y 380 toneladas de grafito al año a partir de 2023. Su puesta en marcha estaba prevista para 2022. "10 de diciembre de 2021: Hazer Group (ASX: HZR) lamenta informar que se ha producido un retraso en la fabricación del reactor para el Proyecto de Demostración Comercial (PDC) de Hazer. Se prevé que esto retrase la puesta en marcha prevista del PDC de Hazer, que ahora se espera que tenga lugar después de nuestra fecha objetivo actual del primer trimestre de 2022." [ 65 ] El Grupo Hazer tiene acuerdos de colaboración con Engie para una instalación en Francia en mayo de 2023, [ 66 ] un Memorando de Entendimiento con Chubu Electric y Chiyoda en Japón en abril de 2023 [ 67 ] y un acuerdo con Suncor Energy y FortisBC para desarrollar una planta de producción de hidrógeno Burrard-Hazer de 2500 toneladas anuales en Canadá en abril de 2022 [ 68 ] [ 69 ]

La tecnología de la empresa estadounidense C-Zero convierte el gas natural en hidrógeno y carbono sólido. El hidrógeno proporciona energía limpia y de bajo costo bajo demanda, mientras que el carbono puede almacenarse permanentemente. [ 70 ] C-Zero anunció en junio de 2022 que cerró una ronda de financiación de 34 millones de dólares liderada por SK Gas, una filial del segundo conglomerado más grande de Corea del Sur, el Grupo SK. A SK Gas se unieron otros dos nuevos inversores, Engie New Ventures y Trafigura, una de las mayores empresas de comercio físico de materias primas del mundo, además de la participación de inversores existentes como Breakthrough Energy Ventures, Eni Next, Mitsubishi Heavy Industries y AP Ventures. La financiación se destinó a la primera planta piloto de C-Zero, que se esperaba que estuviera operativa en el primer trimestre de 2023. La planta podría producir hasta 400  kg de hidrógeno al día a partir de gas natural sin emisiones de CO₂ . [ 71 ]

Una de las mayores empresas químicas del mundo, BASF , lleva más de 10 años investigando la pirólisis de hidrógeno. [ 72 ]

Etileno

La pirólisis se utiliza para producir etileno , el compuesto químico que se produce a mayor escala industrialmente (>110 millones de toneladas/año en 2005). En este proceso, los hidrocarburos del petróleo se calientan a unos 600 °C (1112 °F) en presencia de vapor; esto se denomina craqueo con vapor . El etileno resultante se utiliza para fabricar anticongelante ( etilenglicol ), PVC (a través del cloruro de vinilo ) y muchos otros polímeros, como el polietileno y el poliestireno. [ 73 ]  

Semiconductores

Ilustración del proceso de epitaxia en fase de vapor metalorgánico , que implica la pirólisis de volátiles.

El proceso de epitaxia en fase vapor metalorgánica (MOCVD) implica la pirólisis de compuestos organometálicos volátiles para obtener semiconductores, recubrimientos duros y otros materiales aplicables. Las reacciones conllevan la degradación térmica de los precursores, con la deposición del componente inorgánico y la liberación de los hidrocarburos como residuos gaseosos. Dado que se trata de una deposición átomo por átomo, estos átomos se organizan en cristales para formar el semiconductor a granel. El silicio policristalino en bruto se produce mediante la deposición química en fase vapor de gases de silano.

SiH 4 → Si + 2 H 2

El arseniuro de galio , otro semiconductor, se forma por copirólisis de trimetilgalio y arsina .

Gestión de residuos

La pirólisis también puede utilizarse para tratar residuos sólidos urbanos y residuos plásticos . [ 6 ] [ 20 ] [ 74 ] La principal ventaja es la reducción del volumen de los residuos. En principio, la pirólisis regenerará los monómeros (precursores) de los polímeros que se tratan, pero en la práctica el proceso no es una fuente de monómeros limpia ni económicamente competitiva. [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]

En la gestión de residuos de neumáticos, la pirólisis de neumáticos es una tecnología bien desarrollada. [ 78 ] Otros productos de la pirólisis de neumáticos de automóviles incluyen alambres de acero, negro de humo y betún. [ 79 ] El área enfrenta obstáculos legislativos, económicos y de comercialización. [ 80 ] El aceite derivado de la pirólisis del caucho de los neumáticos tiene un alto contenido de azufre, lo que le confiere un alto potencial como contaminante; por consiguiente, debe desulfurarse. [ 81 ] [ 82 ]

La pirólisis alcalina de lodos de depuradora a baja temperatura de 500  °C puede mejorar H2 producción con captura de carbono in situ. El uso de NaOH (hidróxido de sodio) tiene el potencial de producirH2 -gas rico que puede usarse directamente para pilas de combustible. [ 37 ] [ 83 ]

A principios de noviembre de 2021, el estado estadounidense de Georgia anunció una iniciativa conjunta con Igneo Technologies para construir una gran planta de reciclaje de productos electrónicos de 85 millones de dólares en el puerto de Savannah . El proyecto se centrará en dispositivos de bajo valor y con alto contenido de plástico presentes en los residuos, utilizando múltiples trituradoras y hornos con tecnología de pirólisis. [ 84 ]

Los residuos de la pirólisis también pueden utilizarse para obtener productos útiles. Por ejemplo, el retenido rico en contaminantes procedente de la pirólisis con alimentación líquida de residuos de envases multicapa posconsumo puede utilizarse como nuevos materiales compuestos para la construcción, que presentan una mayor resistencia a la compresión (10-12 MPa) que los ladrillos y la mampostería (7 MPa), así como una densidad un 57 % menor, de 0,77 g/ cm³ . [ 85 ]

Pirólisis en una etapa y pirólisis en dos etapas para residuos de tabaco

La pirólisis también se ha utilizado para intentar mitigar los residuos de tabaco. Un método consistió en separar los residuos de tabaco en dos categorías: TLW (residuos de hojas de tabaco) y TSW (residuos de barras de tabaco). Se definió como TLW cualquier residuo de cigarrillos y como TSW cualquier residuo de cigarrillos electrónicos. Tanto TLW como TSW se secaron a 80  °C durante 24 horas y se almacenaron en un desecador. [ 86 ] Las muestras se molieron para que su contenido fuera uniforme. Los residuos de tabaco (TW) también contienen componentes inorgánicos (metales), que se determinaron mediante un espectrómetro óptico de plasma acoplado inductivamente. [ 86 ] Se utilizó el análisis termogravimétrico para degradar térmicamente cuatro muestras (TLW, TSW, glicerol y goma guar ) y se monitorizaron bajo condiciones dinámicas de temperatura específicas. [ 86 ] Se utilizó aproximadamente un gramo de TLW y TSW en las pruebas de pirólisis. Durante estas pruebas de análisis, se analizó el CO2 yNSe utilizaron dos atmósferas dentro de un reactor tubular construido con tubos de cuarzo. Para ambosCO2 yN2 atmósferas el caudal fue de 100 mL min−1. [ 86 ] El calentamiento externo se creó mediante un horno tubular. Los productos pirogénicos se clasificaron en tres fases. La primera fase fuebiocarbón, un residuo sólido producido por el reactor a 650de hidrocarburos líquidosse recogió mediante una trampa de disolvente frío y se separó mediante cromatografía. La tercera y última fase se analizó utilizando una unidad de micro GC en línea y esos pirolizados eran gases.

Se realizaron dos tipos diferentes de experimentos: pirólisis en una etapa y pirólisis en dos etapas. La pirólisis en una etapa consistió en una velocidad de calentamiento constante (10  °C min⁻¹ ) de 30 a 720  °C. [ 86 ] En la segunda etapa de la prueba de pirólisis en dos etapas, los pirolizados de la pirólisis en una etapa se pirolizaron en la segunda zona de calentamiento, que se controló isotérmicamente a 650  °C. [ 86 ] La pirólisis en dos etapas se utilizó para centrarse principalmente en la eficacia del CO₂.2 afecta la redistribución del carbono al agregar calor a través de la segunda zona de calentamiento. [ 86 ]

En primer lugar, se observaron los comportamientos termolíticos de TLW y TSW en ambos CO.2 yN2 entornos. Tanto para TLW como para TSW, los comportamientos termolíticos fueron idénticos a temperaturas menores o iguales a 660 °C en elCO2 yN2 ambientes. Las diferencias entre los ambientes comienzan a manifestarse cuando las temperaturas aumentan por encima de 660 °C y los porcentajes de masa residual disminuyen significativamente en elCO.2 ambiente comparado con el delN2 ambiente. [ 86 ] Esta observación probablemente se deba a lade Boudouard, donde vemos que ocurre una gasificación espontánea cuando las temperaturas superan los 710 °C. [ 87 ] [ 88 ] Aunque estas observaciones se vieron a temperaturas inferiores a 710 °C, lo más probable es que se deban a las capacidades catalíticas de los compuestos inorgánicos en TLW. [ 86 ] Se investigó más a fondo mediantede ICP-OESy se encontró que una quinta parte del porcentaje de masa residual era especies de Ca.CaCO3 se utiliza en papeles de cigarrillos y material de filtro, lo que lleva a la explicación de que la degradación delCaCO3 causaCO2 reaccionando conCaOen un estado de equilibrio dinámico. [ 86 ] Esta es la razón por la que se observa una disminución de la masa entre 660 °C y 710 °C. Se compararon las diferencias en los picos del termograma diferencial (DTG) para TLW con los de TSW. TLW presentó cuatro picos distintivos a 87, 195, 265 y 306 °C, mientras que TSW presentó dos caídas importantes a 200 y 306 °C con un pico intermedio. [ 86 ] Los cuatro picos indicaron que TLW contiene más tipos de aditivos que TSW. [ 86 ] Se comparó además el porcentaje de masa residual entre TLW y TSW, donde la masa residual en TSW fue menor que la de TLW para ambosCO2 yN2 entornos concluyen que TSW tiene mayores cantidades de aditivos que TLW. 

Producción de hidrógeno, metano y alquitranes durante la creación de biocarbón.

El experimento de pirólisis en una sola etapa mostró resultados diferentes para el CO2 yN2 entornos. Durante este proceso se observó la evolución de 5 gases notables diferentes. El hidrógeno, el metano, el etano, el dióxido de carbono y el etileno se producen cuando la velocidad termolítica del TLW comienza a disminuir a temperaturas mayores o iguales a 500 °C. La velocidad termolítica comienza a las mismas temperaturas para ambosCO.2 yN2 ambiente pero hay una mayor concentración de la producción de hidrógeno, etano, etileno y metano en elN2 ambiente que el delCO2 ambiente. La concentración de CO en elCO2 El entorno es significativamente mayor a medida que las temperaturas aumentan por encima de los 600 °C y esto se debe alCO2 siendo liberado delCaCO3 en TLW. [ 86 ] Este aumento significativo en la concentración de CO es la razón por la que hay concentraciones más bajas de otros gases producidos en elCO2 ambiente debido a un efecto de dilución. [ 86 ] Dado que la pirólisis es la redistribución de carbonos en sustratos de carbono en tres productos pirogénicos. [ 86 ] ElCOEl entorno 2 va a ser más efectivo debido alCOLa reducción 2 a CO permite la oxidación de los pirolizados para formar CO. En conclusión, elCOEl entorno 2 permite un mayor rendimiento de gases que el petróleo y el biocarbón. Cuando se realiza el mismo proceso para TSW, las tendencias son casi idénticas, por lo que se pueden aplicar las mismas explicaciones a la pirólisis de TSW. [ 86 ]

En el CO se redujeron los productos químicos nocivos .2 ambiente debido a la formación de CO que provoca la reducción del alquitrán. La pirólisis en una sola etapa no fue tan efectiva para activarel CO.2 sobre el reordenamiento del carbono debido a las altas cantidades de pirólisis líquida (alquitrán). Pirólisis en dos etapas para elCOEl entorno 2 permitió mayores concentraciones de gases debido a la segunda zona de calentamiento. La segunda zona de calentamiento se mantuvo a una temperatura constante de 650 °C de forma isotérmica. [ 86 ] Más reacciones entreCO2 y los pirolizados gaseosos con un tiempo de residencia más prolongado significaron queel CO2 podría convertir aún más los pirolizados en CO. [ 86 ] Los resultados mostraron que la pirólisis en dos etapas fue una forma eficaz de disminuir el contenido de alquitrán y aumentar la concentración de gas en aproximadamente un 10 % en peso tanto para TLW (64,20 % en peso) como para TSW (73,71 %). [ 86 ]

Limpieza térmica

La pirólisis también se utiliza para la limpieza térmica , una aplicación industrial para eliminar sustancias orgánicas como polímeros , plásticos y recubrimientos de piezas, productos o componentes de producción como tornillos de extrusora , hileras [ 89 ] y mezcladores estáticos . Durante el proceso de limpieza térmica, a temperaturas de 310 a 540 °C (600 a 1000 °F) [ 90 ] , el material orgánico se convierte por pirólisis y oxidación en compuestos orgánicos volátiles , hidrocarburos y gas carbonizado [ 91 ] . Los elementos inorgánicos permanecen [ 92 ] .  

Varios tipos de sistemas de limpieza térmica utilizan la pirólisis:

  • Los baños de sales fundidas pertenecen a los sistemas de limpieza térmica más antiguos; la limpieza con un baño de sales fundidas es muy rápida, pero implica el riesgo de salpicaduras peligrosas u otros peligros potenciales relacionados con el uso de baños de sales, como explosiones o gas cianuro de hidrógeno altamente tóxico . [ 90 ]
  • Los sistemas de lecho fluidizado [ 93 ] utilizan arena u óxido de aluminio como medio de calentamiento; [ 94 ] estos sistemas también se limpian muy rápido, pero el medio no se funde ni hierve, ni emite vapores ni olores; [ 90 ] el proceso de limpieza dura de una a dos horas. [ 91 ]
  • Los hornos de vacío utilizan pirólisis en vacío [ 95 ] evitando la combustión incontrolada dentro de la cámara de limpieza; [ 90 ] el proceso de limpieza dura de 8 [ 91 ] a 30 horas. [ 96 ]
  • Los hornos de desgasificación, también conocidos como hornos de limpieza térmica, funcionan con gas y se utilizan en las industrias de pintura, recubrimientos , motores eléctricos y plásticos para eliminar materia orgánica de piezas metálicas grandes y pesadas. [ 97 ]

Síntesis química fina

La pirólisis se utiliza en la producción de compuestos químicos, principalmente, aunque no exclusivamente, en el laboratorio de investigación.

El área de los cúmulos de borohidruro comenzó con el estudio de la pirólisis del diborano ( B2 H6 ) a ca. 200 °C. Los productos incluyen los clústeres pentaboranoydecaborano. Estas pirólisis implican no solo craqueo (para darH2 ), pero tambiéncondensación. [ 98 ]

La síntesis de nanopartículas , [ 99 ] zirconia [ 100 ] y óxidos [ 101 ] utilizando una boquilla ultrasónica en un proceso llamado pirólisis por pulverización ultrasónica (USP).

Otros usos y ocurrencias

  • La pirólisis se utiliza para convertir materiales orgánicos en carbono con el fin de realizar la datación por carbono-14 .
  • Se han probado los líquidos de pirólisis obtenidos mediante pirólisis lenta de corteza y cáñamo para determinar su actividad antifúngica contra hongos que degradan la madera, mostrando potencial para sustituir los conservantes de madera actuales [ 102 ] , aunque aún se requieren más pruebas. Sin embargo, su ecotoxicidad es muy variable y, si bien algunos son menos tóxicos que los conservantes de madera actuales, otros líquidos de pirólisis han mostrado una alta ecotoxicidad, lo que puede causar efectos perjudiciales en el medio ambiente. [ 103 ]
  • La pirólisis del tabaco , el papel y los aditivos presentes en los cigarrillos y otros productos genera numerosos compuestos volátiles (como nicotina , monóxido de carbono y alquitrán ) responsables del aroma y los efectos negativos del tabaquismo en la salud . Consideraciones similares se aplican al consumo de marihuana y a la quema de incienso y espirales antimosquitos .
  • La pirólisis se produce durante la incineración de basura , generando potencialmente sustancias volátiles que son tóxicas o que contribuyen a la contaminación del aire si no se queman por completo.
  • En ocasiones, los equipos de laboratorio o industriales se ensucian con residuos carbonosos que resultan de la coquización , la pirólisis de productos orgánicos que entran en contacto con superficies calientes.

generación de HAP

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) pueden generarse a partir de la pirólisis de diferentes fracciones de residuos sólidos, [ 12 ] tales como hemicelulosa , celulosa , lignina , pectina , almidón , polietileno (PE), poliestireno (PS), cloruro de polivinilo (PVC) y tereftalato de polietileno (PET). El PS, el PVC y la lignina generan cantidades significativas de HAP. El naftaleno es el HAP más abundante entre todos los hidrocarburos aromáticos policíclicos. [ 104 ]

Cuando la temperatura aumenta de 500 a 900  °C, la mayoría de los HAP aumentan. Con el aumento de la temperatura, el porcentaje de HAP ligeros disminuye y el porcentaje de HAP pesados ​​aumenta. [ 105 ] [ 106 ]

Herramientas de estudio

Análisis termogravimétrico

El análisis termogravimétrico (TGA) es una de las técnicas más comunes para investigar la pirólisis sin limitaciones de transferencia de calor y masa. Los resultados se pueden utilizar para determinar la cinética de pérdida de masa. [ 5 ] [ 20 ] [ 6 ] [ 38 ] [ 74 ] Las energías de activación se pueden calcular utilizando el método de Kissinger o el método de análisis de picos por mínimos cuadrados (PA-LSM). [ 6 ] [ 38 ]

La TGA se puede acoplar con la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y la espectrometría de masas . A medida que aumenta la temperatura, se pueden medir los volátiles generados por la pirólisis. [ 107 ] [ 83 ]

Macro-TGA

En TGA, la muestra se carga primero antes del aumento de temperatura, y la velocidad de calentamiento es baja (menos de 100  °C min⁻¹ ) . La macro-TGA puede utilizar muestras a escala de gramos para investigar los efectos de la pirólisis con transferencia de masa y calor. [ 6 ] [ 108 ]

Pirólisis-cromatografía de gases-espectrometría de masas

La espectrometría de masas de pirólisis (Py-GC-MS) es un procedimiento de laboratorio importante para determinar la estructura de los compuestos. [ 109 ] [ 110 ]

Aprendizaje automático

En los últimos años, el aprendizaje automático ha atraído un interés de investigación significativo en la predicción de rendimientos, la optimización de parámetros y el monitoreo de procesos pirolíticos. [ 111 ] [ 112 ]

Véase también

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