Conversión de carbón mineral
La foto es de @geadriana, una secuencia de equipos Soxhlet extrayendo carbón mineral, tomada en el laboratorio de Geoquímica orgánica de la Universidad Central de Venezuela
Introducción
El carbón se ha definido por el Instituto Mundial del Carbón (WORLD COAL INSTITUTE, 1997), como una roca orgánica, formada a partir de restos vegetales preservados entre otros estratos sedimentarios. Estos restos sufren importantes transformaciones físicas y químicas por acción de la presión, la temperatura y la acción microbiana, generando mantos de carbón, cuando las variables antes mencionadas actúan durante un período de tiempo considerable. La importancia de este combustible fósil, radica en que es bastante abundante (se explota en más de 60 naciones), es física y químicamente estable en comparación con el petróleo, el gas y el uranio, presenta seguridad de suministro por su abundancia y se puede usar limpiamente (MARTÍNEZ, 2001).
Históricamente, el carbón ha sido usado como fuente de energía por cientos de años; se conoce del uso del carbón como combustible desde el imperio romano. El carbón no sólo proporcionó la energía que impulsó la Revolución Industrial en el siglo XIX, sino que impulsó la era eléctrica en el siglo XX. Hoy en día, aproximadamente el 40% de la electricidad generada en el ámbito mundial, es producida a partir del carbón. La industria mundial de hierro y el acero también dependen del uso de este recurso (WORLD COAL INSTITUTE, 1997).
Sin embargo, su uso como fuente de energía, es apenas una mínima parte de sus potencialidades. Entre ellas destaca la industria carboquímica, la cual se basa en la obtención de productos empleando como materia prima el carbón mineral. El desarrollo de esta industria, se ha tropezado en el pasado con la enorme dificultad técnica para transformar este material sólido, insoluble, a materiales líquidos. Lo que ha conducido a la realización de numerosos ensayos entre los que destacan: hidrogenaciones, pirólisis, licuaciones, oxidaciones controladas, destilación seca, refinación por solventes, entre otros (por ejemplo: TAKANOHASI & LINO, 1995; LI et al. 2000; LI et al. 2004). En la década de los 90 se iniciaron ensayos de despolimerización de residuos industriales y domésticos, principalmente plásticos y caucho, con notable éxito. Posteriormente se intentó este procedimiento en carbones, por tratarse formalmente de una estructura igualmente polimérica y compleja.
Se ha observado rendimientos variables en la conversión del carbón a aceites y productos líquidos, lo que depende entre otras cosas, de la naturaleza del catalizador empleado, la temperatura, del rango del carbón, amen de aspectos tan sutiles como el contenido inicial de cenizas y azufre en los carbones, del tamaño de las partículas del catalizador que penetra en el poro del carbón, entre otros. La posibilidad de obtención de productos solubles abre una nueva ventana en referencia al provecho que se puede obtener de esta tecnología.
Por otra parte, es bien conocido que a partir del carbón mineral se puede generar carbón activado (actualmente el 60% de los carbones activados producidos a nivel mundial se obtienen a partir de carbón mineral), un producto que posee una estructura cristalina reticular similar a la del grafito; es extremadamente poroso y puede llegar a desarrollar áreas superficiales del orden de 1,500 metros cuadrados, por gramo de carbón. En la actualidad, este material es ampliamente utilizado para remover el color, olor, sabor y un sin número de impurezas orgánicas durante el tratamiento de agua para el uso doméstico e industrial. También se usa en la recuperación de solventes, en la remoción del color en diversas esencias azucaradas, en el control de la contaminación ambiental, en la industria farmacéutica y médica (PIS et al., 1998; LOBOS, 1993).
En el estado Falcón por ejemplo se produce carbón activado, pero no satisface la demanda nacional por lo que se puede afirmar que en el país la producción de carbón activado no se ha desarrollado, aun conociendo que este producto es utilizado en muchas de las industrias básicas, tales como: la industria azucarera, productos alimenticios, productos farmacéuticos, entre otras que lo utilizan como material adsorbente para la eliminación de impurezas, muchas de ellas en concentraciones tan pequeñas que no se detectan con un análisis ordinario (SARMIENTO et al. 2004).
El uso del carbón activado en el país ha mantenido un ritmo creciente, pero su costo actual se ha elevado tanto que resulta muy costosa su importación, por lo que se hace necesario producir carbón activado, utilizando materia prima nacional que hasta el presente no ha sido aprovechada potenciándose de esta manera la soberanía tecnológica en esta área de desarrollo del país.
Cabe destacar que Venezuela cuenta con grandes depósitos de carbones de diferentes tipos. Estos carbones pertenecen al segundo gran período de formación de este tipo de material, como es el terciario, por lo que se consideran como carbones jóvenes. Las principales manifestaciones carboníferas en Venezuela se ubican en: Guasare-Socuy en el estado Zulia, los carbones de la franja nor-occidental, en los estados Táchira y Mérida y los carbones de Naricual y Fila Maestra en el estado Anzoátegui. Otras manifestaciones carboníferas menores se han registrado en los estados Guárico, Aragua, Monagas, Sucre, Trujillo, Falcón y Lara (ESTEVES, 1997).
Los carbones de Naricual y Fila Maestra, en el estado Anzoátegui, se presentan como el tercer depósito en importancia del país. Existen tres divergencias, en cuanto a la clasificación de estos carbones, aunque sus características permiten acotarlos entre bituminosos y lignitos. Las reservas de este yacimiento, se encuentran en el orden de los 75 millones de toneladas métricas. Los carbones de Fila Maestra presentan buena calidad para usos térmicos por su bajo contenido de cenizas, aunque su contenido de azufre es ligeramente elevado para estos fines (2%). Estratigráficamente, los carbones de Naricual están dentro de la formación del mismo nombre, cuya sección tipo se encuentra en el valle del río Naricual, en la carretera del área vecina al pueblo de Naricual en Anzoátegui. Su edad se estima como oligoceno tardío aproximadamente 30 m.a. (ESTEVES, 1997).
Revisando un poco este trabajo
Conversión de Carbón a Productos Líquidos mediante Despolimerización Asistida por Solventes: una Revisión de los Fundamentos y Avances en la Región
Resumen
Abstract
Looking for the coal conversion into simpler materials, several procedures have been assayed (liquefaction, pyrolysis, and hydrogenation). The solvent treatment of coal looks as an alternative with the advantage of requiring low temperatures. Several macromolecular models have been proposed to explain the solvent-coal interaction. In this study, a comprehensive review of coal depolymerization is exposed, its feasibility and the potential of the technology to diversify the coal-bearing industry in the countries of the region.
Modificación de la estructura del carbón
Si un carbón bituminoso o subbituminoso se calienta en ausencia de aire (destilación seca destructiva), se desprenden productos volátiles, amoniaco, fenol, benceno, mezclas de cresoles, alquilbencenos, alquilnaftalenos y alquitrán, y queda un residuo que contiene toda la materia mineral del carbón, pero compuesto principalmente de carbono libre. Este residuo se llama coque, y es de utilidad en metalurgia, para la elaboración de electrodos, así como para la obtención de gas de agua (hidrógeno más monóxido de carbono) y derivados. Alemania, rica en carbón pero pobre en yacimientos petrolíferos, desarrolló dos métodos para obtener combustibles líquidos a partir del carbón. El primero (proceso Bergius), consiste en obtener aceites combustibles mediante la hidrogenación del carbón a altas temperaturas y presiones (450º y 250 atmósferas) y en presencia de un catalizador formado por sulfuros metálicos. El segundo método, denominado “Fischer Trops”, consiste en calentar el gas de agua a presiones altas en presencia de un catalizador formado por diversos metales. Se origina una mezcla de hidrocarburos análoga a la gasolina aunque de bajo poder antidetonante.
Otros procesos desarrollados por el hombre incluyen la hidrogenación, licuación, pirólisis controlada, gasificación integrada, clorinación, oxidación parcial, etc. En cada uno de ellos el carbón es sometido a condiciones que generalmente involucran altas temperaturas y presiones, así como la presencia de catalizadores. A pesar de los altos rendimientos que pueden obtenerse en la hidrogenación catalítica (~65%) los requerimientos energéticos para lograrlo también son muy altos, por lo que energéticamente hablando, el rendimiento total es cercano al 20%; a esto hay que agregar (1) los costos de mantenimiento para este tipo de plantas, y (2) el costo ambiental, por lo que tales procesos no son atractivos comercialmente, en comparación al petróleo.
Una forma de obtener condiciones más suaves es mediante el tratamiento con solventes especiales, buscando disolver el carbón. Sin embargo, como se planteó en líneas anteriores, los rendimientos de extracción suelen ser bajos. En el período 1920-1940 se efectuaron numerosos ensayos de extracción de carbón con solventes diversos; ya en 1952 Kreulen estableció una clasificación de los solventes orgánicos según su habilidad extractiva, dividiéndolos en cuatro categorías.
Despolimerización
Desde el reporte inicial de las altas extracciones de la mezcla NMP-CS2, se han llevado a cabo numerosos estudios, y el hombre ha aprendido bastante acerca de la estructura del carbón. El estudio de la energía de activación asociada al fenómeno de hinchamiento (“swelling”) en presencia de solventes, es menor a la correspondiente a un enlace covalente; en adición, las altas extracciones aún a temperatura ambiental indican que las interacciones asociadas son del tipo puente de hidrógeno, y no covalente. Este resultado obliga a modificar el modelo aceptado para la estructura del carbón, en el que los bloques poliaromáticos están enlazados por puentes CH2 o por heteroátomos.
Conclusiones
La estructura compleja del carbón obliga a buscar tecnologías que permitan convertirlo a materiales líquidos de menor peso molecular. De entre las diversas metodologías ensayadas, el uso de solventes para depolimerizar el carbón ha recibido particular atención. Varios modelos se han propuesto para explicar el comportamiento de los solventes y su habilidad de extracción. El hallazgo del alto rendimiento de extracción del carbón, aun a temperatura ambiente, con la N-metil-pirrolidona (NMP), sola o como cosolvente con disulfuro de carbono, reactivó este tipo de estudios.
Los países de la región presentan un gran contraste en el desarrollo del estudio de conversión de sus carbones en materiales líquidos de interés. Colombia destaca como el país con mayor conocimiento en el tema, mientras que otros países como Ecuador, aún se hallan en estado incipiente.
Aun queda bastante por estudiar respecto a la despolimerización y realizar diferentes ensayos para consolidar los estudios en latinoamérica.
Algunas referencias
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Twitter: @adrianagam
https://www.researchgate.net/profile/Adriana_Gamboa/
Saludos @geadriana
El tema que presentas tiene alto potencial tecnológico y energético, por lo que te sugiero leer las normas y criterios establecidos por #STEM para considerar el apoyo de tu trabajo.
https://steemit.com/stem-espanol/@carloserp-2000/stem-espanol-reporte-semanal-12
Hola muchas gracias, leeré las normas y realizaré una actualización. muchas gracias por la información
Interesante sugerencia @iamphysical
Muy buen aporte adriana, sobre todo que llega a la gente, quizás un poco más corto y más conciso sería algo de provecho. Que sigan las publicaciones.
Un abrazo.
Si debo trabajar un poco más la vulgarización sin perder de vista la parte científica. Ya tendré que madurar mis ideas. Por ahora en etapa de hibernación.
Esta es la publicación que todos queremos...
Su desarrollo y sus referencias.
Ese-lente!
Ok. Entendido muchas gracias. Trabajare en otras de este estilo, saludos
muy interesante
Hola @geadriana siempre investigando. Felicitaciones
Saludos y buena vibra.
gracias