Desarrollo y evaluación de un filtro de carbón activado con recubrimiento de ZnO

Abstract

En el presente proyecto se diseñó y construyó un filtro para la purificación de biogás, empleando tubería de Policloruro de vinilo (PVC) y modelado previamente por computadora en AutoCAD, con el objetivo de evaluar la remoción de dióxido de carbono (CO2) y mejorar la calidad del biogás para su aprovechamiento energético. Se llevó a cabo la síntesis de carbón activado (CA) a partir de cáscara de coco mediante pirólisis y una activación química con KOH, así como la obtención de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) por método sol – gel y se realizó un material compuesto CA - ZnO preparado mediante impregnación del ZnO en la base carbonosa. La caracterización morfológica de los materiales se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Las micrografías SEM del carbón activado presenta una superficie rugosa y porosa, con un tamaño promedio de partícula de 8.85 µm, mientras que el ZnO mostró aglomerados micrométricos con un promedio de 7.48 µm. En el material CA - ZnO se observó un incremento en el tamaño promedio hasta 15.51 µm, así como la presencia de poros en el rango de 12 a 89 nm (promedio de 37.5 nm), lo que indica la conservación de la estructura porosa tras la impregnación. La caracterización estructural mediante difracción de rayos X (DRX) confirmó la presencia de fases cristalinas de ZnO y el patrón amorfo del carbón activado. Se evaluó el desempeño de los materiales en la adsorción de CO2 en biogás mediante un sistema de filtración en condiciones in situ. Los resultados evidenciaron una mejora en la capacidad de adsorción del material CA-ZnO en comparación con el carbón activado sin modificar logrando una captura de CO2 del 100%, lo que sugiere que la incorporación de ZnO favorece la interacción con el CO2 y optimiza el proceso de purificación del biogás para la obtención de biometano. In this study, a filtration system for biogas purification was designed and constructed using PVC piping and previously molded through computer-aided design (AutoCAD), with the aim of evaluating carbon dioxide (CO2) removal and improving biogas quality for energy applications. Activated carbon (AC) was synthesized from coconut shell via pyrolysis followed by chemical activation using KOH. Zinc oxide (ZnO) nanoparticles were obtained through the sol - gel method, and a composite material (AC - ZnO) was made by impregnating ZnO onto the carbon matrix. Morphological characterization was performed using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). SEM micrographs of activated carbon revealed a rough and porous surface with an average particle size of 8.85 µm, while ZnO exhibited micrometric agglomerates with an average size of 7.48 µm. The AC - ZnO composite showed an increase in average particle size up to 15.51 µm, along with pore sizes ranging from 12 to 89 nm (average of 37.5 nm), indicating that the porous structure was preserved after impregnation. Structural characterization by X-ray diffraction (XRD) confirmed the presence of crystalline ZnO phases and the amorphous nature of activated carbon. The adsorption performance of the materials was evaluated for CO2 removal from biogas using the developed filtration system under in situ conditions. The results demonstrated an improvement in adsorption capacity for the AC - ZnO material compared to unmodified activated carbon, achieving up to 100% CO2 capture. This suggests that ZnO incorporation enhances CO2 interaction and optimizes the biogas purification process for biomethane production.