Eficiencia energética de la adsorción de COVs del aire en carbón activado.

1. María Fernanda Martínez Flores
24 de Abril del 2013
OPERACIONES UNITARIAS II

2. Meera A. Sidheswaran
Douglas P. Sullivan
Sebastian Cohn
William J. Fisk
Lawrence Berkeley National
Laboratory, Indoor Environment
Department, California, USA
Hugo Destaillats
Arizona State University, School
of Sustainable Engineering and
the Built Environment, Arizona,
USA
Lawrence Berkeley National
Laboratory, Indoor Environment
Department, California, USA
“Building and Environment”
Volume 47, January 2012, Pages
357–367

3. ÍNDICE
1. ABSTRACT
2. INTRODUCCIÓN
3. MÉTODOS
4. RESULTADOS
5. RESUMEN Y CONCLUSIONES

4. ABSTRACT

5. Los objetivos del sistema de limpieza del aire son
principalmente:
 Reducir la exposición en el interior de los
compuestos orgánicos volátiles (COVs).
 Permitir simultáneamente reducidas tarifas y
consumo de energía.
Evaluamos el uso de FCA para adsorber COV del
aire interior durante periodos repetidos de 12 a 24
horas.

6. COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES
(COVS)
 Tolueno
 Benceno
 O-xileno
 1-Butanol
 Limoneno
 Undecano
 Formaldehído
Condiciones
T= 29°C
30% de humedad relativa

7.  Se desarrolló una isoterma de Freundlich de
multicomponentes para estimar la máxima
capacidad de adsorción
 En un proceso de regeneración cíclica, los COV
fueron desorbidos por los filtros y ventilados al
exterior para permitir el siguiente ciclo de limpieza
del aire.
 Tres diferentes métodos de regeneración de FCA
fueron estudiados bajo condiciones ambientales.
 Se encontró que calentando los filtros por
periodos cortos daban los mejores resultados.

8. INTRODUCCIÓN

9. En la mayoría de los edificios comerciales los filtros
existentes en los sistemas de climatización remueven las
partículas generadas en el interior usando mucho menos
energía que la ventilación.
Para complementar la filtración de partículas, son necesarios
métodos para los COVs.
Estudios recientes han propuesto pruebas de métodos para
evaluar el desempeño de las tecnologías de limpieza del aire
para la reducción de la ventilación.
Fibra de carbón activado

10. VENTAJAS DE LOS FILTROS DE FIBRA
Los filtros FCA están
preparados a partir de
precursores de tejido y
tienen una muy alta
área superficial y baja
caída de presión.
También tienen un largo
tiempo de vida.
Filtro de carbón activado
granular.
Filtro de fibra de carbón activado.

11. REGENERACIÓN DE LOS FILTROS FCA
 El proceso de regeneración consiste en desorber
las COV del filtro y expulsarlas fuera del
edificio.
 Una regeneración efectiva fue lograda por
calentamiento eléctrico.
 Caracterizamos la capacidad de adsorción
máxima de la fibra de carbón activado con
concentraciones interiores reales con múltiples
ciclos de regeneración.

12.  D1-D6: válvulas
 F1: ventilador de aire normal
 F2: ventilador de aire de regeneración
 PF: filtro de partícula normal
 AC: filtro de fibra de carbón activado
 H: calentador
Figura 1. Dos configuraciones posibles de adaptación
utilizando fibra de carbón activado en un sistema comercial
de climatización.

13. MÉTODOS

14. ARREGLO EXPERIMENTAL
Tipo Densidad Superficial
(g/m2)
Espesor
(mm)
Area Superficial
(m2/g)
Zorflex FM 10 120 0.4 1000-2000
Tabla 1. Propiedades de FCA
Fibra de carbón activado Zorflex FM 10

15. Compuesto Peso
molecular
Punto de
Ebullición
(K)
Presión
vapor
(mm Hg)
Niveles interiores
promedio reportados
(ppb)
Concentración
de la cámara
(ppb)
Benceno 78 353 100 0.9-3.2 12-15
1-Butanol 74 391 8.8 Dato no disponible 14-20
Tolueno 92 384 28.4 3.3-12 40-50
o-Xileno 106 418 6.7 0.5-1.8 5-10
Undecano 156 469 0.41 Dato no disponible 35-40
Limoneno 136 449 20 1.4 2-10
Formaldehído 30 252 Gas a
temperatura
del cuarto
17 15-30
Tabla 2. Propiedades físicas, niveles interiores típicos de COVs
seleccionados y concentraciones usadas en la mezcla de estudio.

16. 1. Se preparó una mezcla líquida homogénea de los VOC
objetivo y se inyectó a velocidad constante utilizando una
bomba de jeringa a una cámara de acero inoxidable
2. Se añadió formaldehído y limoneno mucho después.
3. Se mantuvo a 29°C.
4. La cámara de aire se mantuvo mezclada con ventiladores.
5. Pasó a través de un tubo de teflón para conectarlo al
sistema experimental.

17. Fig. 2. Arreglo experimental.
El filtro fue sometido a un periodo de adsorción de 24 h o 12 h seguido
de un periodo corto de desorción (regeneración).
El aire fluye a través de la ACF donde se controla mediante
controladores de flujo másico para proporcionar una velocidad de flujo
de 31.4 m/min durante el período de adsorción.

18. Se evaluaron dos diferentes modos de regeneración
de ACF:
 Regeneración de aire externo sin calentar.
Se utilizaron dos diferentes velocidades de aire del
exterior sin calentar que pasaba a través del filtro, 6.28
y 0.31 m/min.
 Regeneración electro-térmica
El ACF se calentó a aproximadamente 150°C. Tres
diferentes velocidades (5.24, 0.52 y 0.11 m/min) se
estudiaron para determinar las condiciones óptimas
para lograr una eficiencia de regeneración alta con un
consumo mínimo de energía.

19. DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE
ELIMINACIÓN Y REGENERACIÓN
La eficiencia de eliminación de COV por ciento de un ciclo dado, nai, se calculó:
donde
 na,i es la eficiencia de eliminación por ciento.
 C0,i es la concentración de entrada del i-ésimo periodo de adsorción de VOC bajo estudio
(ng/m3).
 Ca,i (t) es la concentración de salida del i-ésimo periodo de adsorción.
La eficiencia de regeneración de un ciclo dado se calculó como la relación de la masa de VOC
desorbido durante una corrida de regeneración entre la masa neta de VOC acumulado en la
ACF de todos los anteriores períodos de adsorción:
donde
 nr,i es la eficiencia de regeneración
 Mr,i es la masa de VOC desorbido al final del i-ésimo periodo de regeneración (ng)
 Ma,i es el total de masa de VOC adsorbido en el filtro ACF al final del i-esimo periodo de
adsorción (ng)

20. RESULTADOS

21. ISOTERMA DE ADSORCIÓN MULTI-COMPONENTE
MODIFICADA Y LA CAPACIDAD DE VOC DE
RETENCIÓN DE ACF
 La isoterma de adsorción multicomponente se expresa en
términos de masa del adsorbato y se escribe como sigue:
donde:
o qi: masa máxima adsorbida del componente i por unidad de
masa del medio, (μg/g).
o Ki: constante de Freundlich de adsorción mono-componente
para el componente i.
o aij: coeficiente de adsorción competencia adimensional para
el sistema multicomponente.
o ni: exponente de la isoterma de el componente i.
o Cj: concentración del componente j.
o k: número total de componentes en el sistema.
[16] Sheindorf C, Rebhun M, Sheintuch MA. Freundlich-type
multicomponent isotherm. J Colloid Interface Sci
1981;79(1):136e42.

22.  Los experimentos fueron llevados a cabo a una velocidad de 31.4. El
tiempo de saturación fue un estimado de aproximadamente 97 h.
 La máxima capacidad de adsorción de la tela de ACF para los
compuestos bajo estudio, en las condiciones experimentales
empleadas, se determinó experimentalmente integrando el área
bajo el perfil de concentración de adsorción para cada compuesto.
 Uno de los principales objetivos de este estudio de isoterma es para
determinar la vida del lecho, es decir, el tiempo antes de que el
lecho de ACF se sature y ya no elimine VOCs. La vida del lecho
puede ser definida como sigue:

23. Uno de los principales objetivos de este estudio de isoterma es
para determinar la vida del lecho, es decir, el tiempo antes de
que el lecho de ACF se sature y ya no elimine VOCs. La vida
del lecho puede ser definida como sigue:
donde
 MACF es la masa de fibra de carbón activado (g)
 Q es el flujo de corriente de aire a tratar (L/min)
 Ci,in es la concentración de entrada del componente i de la
corriente multicomponente de VOC (μg/L).
La vida del lecho estimada fue de aproximadamente 103 h. El
reemplazo de los filtros de carbón activado cada 103 h de
operación es impráctico, y por lo tanto la regeneración
periódica in-situ es necesaria para este escenario.

24. ADSORCIÓN—CICLOS DE REGENERACIÓN: MÉTODO
1—REGENERACIÓN CON AIRE EXTERIOR A
TEMPERATURA AMBIENTE.
Un nuevo filtro fue saturado basado inicialmente en
la vida del lecho Ec. (5) y regenerado por un
periodo de 12 h antes sometiéndolo a alternadas
fases de adsorción y regeneración.
 Regeneración con aire externo a 6.28 m/min
La fig. 3 muestra la eficiencia de eliminación de
VOC lograda en diferentes ciclos para diferentes
compuestos orgánicos volátiles en la mezcla con
una velocidad de periodo de adsorción de 31.4
m/min.

25. •El limoneno se añadió a la
mezcla de COV en los ciclos 6-
12 y mostró una eficiencia de
eliminación promedio de
aproximadamente 35%.
Fig. 3. Tiempo vs. eficiencia de eliminación para cada
COV excepto Limoneno para diferentes ciclos de
adsorcion- regeneración con una velocidad de
adsorción de 31.3 m/min y de regeneración de 6.3
m/min.

26.  El proceso de regeneración no elimina todos los
VOCs adsorbidos, por lo tanto, como la cantidad de
los compuestos orgánicos volátiles retenidos en la
ACF aumenta, la cantidad de VOC retirados por
la tela de la corriente de entrada disminuye, dando
lugar a una menor eficiencia de eliminación de
COV.

27.  Regeneración con aire externo a una velocidad de
0.31 m/min.
Menor velocidad del aire, 24 h con periodos de 12 h.
La adsorción de las especies más adsorbentes
mejoraron significativamente cuando es precedido por
el prolongado tiempo de regeneración.
Posteriormente, la eficiencia de regeneración disminuyó
rápidamente.

28. ADSORCIÓN – CICLOS DE REGENERACIÓN: MÉTODO 2 –
REGENERACIÓN CON CALENTAMIENTO ELECTROTÉRMICO
DE LA TELA ACF.
 La velocidad del flujo de aire contaminado se mantuvo a 31.4
m/min para todos estos experimentos.
 La temperatura de la fibra durante la regeneración se
mantuvo a 150°C por 2 h y los flujos del aire de regeneración
fueron variados.
 En la fase de regeneración calentada, tres velocidades de
5.24, 0.52 y 0.11 m/min fueron estudiadas para determinar la
eficiencia de regeneración óptima.
Fig. 5.Porcentaje de
eficiencia de
eliminacion de COV
para un periodo de
adsorción de 24 h con
diferentes velocidades
de aire de
regeneración
electrotérmica y una
temperatura de
regeneración de 150°C
durante 2 h.

29.  o-Xileno, limoneno y undecano tienen una alta
capacidad de adsorción de Freundlich (Ki)
comparada con el formaldehido, benceno, tolueno
y 1-butanol. Estos componentes pueden
adsorberse fuertemente en la superficie de la fibra
de carbón y desplazar las especies más volátiles
que conducen a una disminución de la eficiencia de
eliminación por ciento.
 La eficiencia de regeneración depende de la
velocidad de flujo de la corriente de regeneración.

30. CICLOS DE ADSORCIÓN- REGENERACIÓN:
MÉTODOS 1 Y 2 CON CICLOS DE ADSORCIÓN
(LIMPIEZA DEL AIRE) MÁS CORTOS.
 Ciclos más cortos de adsorción y regeneración.
La duración del periodo de adsorción se redujo de
24 h a 12 h. El aire exterior de regeneración se
utilizó a velocidades de 4.2 m/min durante 6 h y la
regeneración electrotérmica por calentamiento de
la tela ACF a 150°C se utilizó a velocidades del
aire de 1.1 m/min con una duración de 15 min.

31.  Regeneración con aire exterior a una velocidad
de 4.2 m/min.
Las eficiencias al final de los ciclos de 12 h fueron
mas altas que la eficiencia de eliminación
observados en los ciclos de 24h.
Fig. 6.
(A) Aire de regeneración externo
a 25°C y velocidad de aire de 4.2
m/min por 6 h.
(B) Regeneración electrotérmica
a 150°C y una velocidad del aire
de 1.1 m/min durante 15 min.
 Regeneración electrotérmica a
una velocidad de 1.1 m/min
La eficiencia de COV eliminado fue
mas alta que la observada al final
de 24 h con un comparable flujo de
aire de regeneración

32. RESUMEN Y CONCLUSIONES

33. RESUMEN
 El filtro de FCA tiene un largo tiempo de vida de
adsorción y puede ser utilizado con eficiencia para
la eliminación de compuestos orgánicos volátiles
interiores con regeneración periódica.
 Las isotermas de adsorción de los COV sobre la
tela ACF indican que se tardará alrededor de 100 h
para saturar completamente la ACF
 Los medios de ACF pueden regenerarse fácilmente
después de un período de 12 o 24 h de limpieza
de aire.

34. CONCLUSIONES
 ACF a 150°C resultó ser más efectivo en relación a la
regeneración con aire exterior sin calefacción.
 Los resultados con ACF sin calefacción son también
muy aceptables, un uso óptimo de la ACF no
necesariamente debe incluir una fase de calentamiento
de cada ciclo. En su lugar, calefacción periódica
después de un número de ciclos puede ser suficiente
para eliminar las especies fuertemente adsorbidas
 Las eficiencias de eliminación de COV se
incrementaron cuando el tiempo de absorción se
redujo a 12 h de 24 h.