Separazione di idrocarburi dal carbone attivo come sostanza porosa in un processo di rigenerazione del glicole utilizzando anidride carbonica supercritica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19910 (2022) Citare questo articolo

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I carboni attivi sono utilizzati in applicazioni industriali; il loro costo rappresenta un ostacolo importante alla loro applicazione più diffusa. La rigenerazione dei carboni attivi è indispensabile per ridurre al minimo i costi operativi e gli sprechi di prodotto. L'anidride carbonica supercritica (SC-CO2) come tecnologia verde è stata utilizzata per rigenerare i carboni attivi. In questo lavoro, è stata impiegata la metodologia della superficie di risposta per ottimizzare il processo di rigenerazione supercritica e per valutare l'effetto dei parametri operativi tra cui pressione (100–300 bar), temperatura (313–333 K), portata (2–6 g/min ) e tempo dinamico (30–150 min) sulla resa della rigenerazione. La resa di rigenerazione massima (93,71%) è stata raggiunta a 285 bar, 333 K, 4 g/min e 147 min. La modellazione matematica è stata eseguita utilizzando due modelli cinetici a un parametro, che concordano bene con i dati sperimentali. Il parametro di adattamento del modello è stato ottenuto utilizzando un algoritmo di evoluzione differenziale. La composizione chimica delle sostanze estratte dal carbone attivo è stata identificata mediante gascromatografia. I risultati hanno mostrato che la rigenerazione del carbone attivo mediante SC-CO2 può essere un metodo alternativo ai metodi convenzionali.

Il carbone attivo è stato riconosciuto come uno degli adsorbenti ampiamente applicati per il rivestimento a spruzzo1, la lavorazione alimentare2, la biomassa3, i prodotti farmaceutici4, i prodotti chimici5, il trattamento delle acque reflue6, il petrolio7 e le industrie nucleari8, nonché il trattamento con glicole per la rimozione di composti organici organici e volatili (COV) inquinanti nelle industrie del gas naturale9. Il carbone attivo viene utilizzato nei sistemi di addolcimento e disidratazione del gas naturale con fluidi quali ammine e glicoli10,11. Le tecniche convenzionali per la rigenerazione del carbone attivo comprendono la volatilizzazione termica12, l'estrazione chimica13, gli ultrasuoni14, le microonde15, l'elettrochimica16 e la biorigenerazione. Questi metodi presentano diversi svantaggi come la perdita di carbonio, il danneggiamento della sua struttura porosa, il trattamento dei gas di scarico, le rigenerazioni chimiche utilizzando solventi non sono necessariamente accettabili perché ulteriori problemi di separazione e ambientali e la biorigenerazione richiedono lunghi tempi di reazione per la rigenerazione. Recentemente, i fluidi supercritici (SCF) hanno attirato l'attenzione diffusa in molti campi ed è stata studiata la rigenerazione del carbone attivo come una delle applicazioni di questa tecnologia17. Le caratteristiche uniche degli SCF hanno reso questi solventi attraenti. In particolare, la densità del solvente, e quindi le sue proprietà solventi, possono essere controllate modificando pressione e temperatura. Inoltre, la densità simile a quella del liquido e la viscosità simile a quella del gas, accoppiate con coefficienti di diffusione che sono almeno un ordine di grandezza superiori a quelli dei liquidi, contribuiscono al miglioramento dei processi di trasferimento di massa18,19,20,21,22,23. Tra le diverse sostanze, l'anidride carbonica è la scelta migliore in quanto è un solvente ecologico che offre vantaggi come atossicità ed elevata stabilità chimica.

La rigenerazione del carbone attivo utilizzando SCF è stata studiata da diversi ricercatori. DeFilippi et al. osservato che la rigenerazione supercritica era economica anche se la temperatura e la pressione operative erano superiori rispettivamente a 387 K e 150 atm. Hanno proposto un modello di equilibrio locale (isoterma di Freundlich) che si adatta bene ai dati sperimentali24. La rigenerazione del carbone attivo caricato con fenolo utilizzando anidride carbonica supercritica è stata studiata da Kander e Paulaitis25. Hanno scoperto che l’anidride carbonica supercritica non offriva vantaggi significativi per la rigenerazione del carbonio caricato con fenolo. Tuttavia, hanno suggerito che per i composti organici che non sono fortemente adsorbiti sul carbone attivo, l'anidride carbonica supercritica sarebbe un potente adsorbente. Tan e Liou hanno studiato il desorbimento mediante anidride carbonica supercritica di carbone attivo caricato con acetato di etile o toluene. Hanno presentato che questo metodo di rigenerazione avrebbe dato risultati migliori rispetto al metodo di rigenerazione del vapore e, di conseguenza, hanno presentato un modello cinetico di desorbimento lineare che si è rivelato adattarsi abbastanza bene ai dati sperimentali17,26.