Fundamentos del calentamiento con microondas en procesos industriales y algunas aplicaciones desarrolladas en nuestro grupo de investigación

1. J. Ángel Menéndez
Instituto Nacional del Carbón, INCAR-CSIC
Grupo de Materiales Carbonosos para
Aplicaciones Tecnológicas
www.incar.csic.es/tecnologia/mcat/

2. OBJETIVO
Dar una visión global de las posibilidades que tiene
el uso del calentamiento con microondas en
diferentes procesos en los que intervienen de una
forma directa o indirecta los materiales carbonosos.

3. Introducción

4. ¿Qué son las microondas?
Las microondas son una radiación electromagnética no ionizante que ocupa en el
espectro electromagnético una banda de frecuencias que abarca desde los 300 MHz hasta
los 30 GHz, limitada por el infrarrojo lejano y las radiofrecuencias, con longitudes de onda
que van desde 1 m hasta 1 mm

5. ¿Qué se puede calentar con microondas y qué no?
Interacción microondas-materia
Conductores. Son materiales con electrones libres, y por
tanto, con elevada conductividad eléctrica, como los
metales. Reflejan las microondas, por lo que suelen
usarse en los equipos de tratamiento en forma de
aplacadores y guías de ondas para contener y dirigir las
microondas.
Aislantes. Son materiales no conductores eléctricamente,
como el vidrio o el cuarzo. Principalmente transmiten las
microondas, es decir, son transparentes a ellas. Por ello,
se suelen usar para soportar los materiales que van a ser
tratados con microondas y pueden adoptar la forma de
cintas transportadoras, platos, placas, etc.
Dieléctricos. Son materiales con propiedades
intermedias entre conductores y aislantes que
absorben la radiación electromagnética y la convierten
en calor. Ejemplos de este tipo de materiales son agua,
aceite, determinados materiales carbonosos, etc.
Compuestos magnéticos. Son materiales, como las ferritas,
que interaccionan con la componente magnética de la
microonda, y por lo tanto, se calientan. Se usan
frecuentemente como dispositivos escudo o de choque para
evitar fugas de energía electromagnética. También pueden
usarse para el calentamiento en dispositivos especiales.

6. ¿Cómo calientan las microondas?
e-
e-
Calentamiento por el
efecto Maxwell-Wagner
Calentamiento por
polarización dipolar
J.A. Menéndez, A. Arenillas, B. Fidalgo, Y. Fernández, L. Zubizarreta, E.G.
Calvo, J.M. Bermúdez “Microwave heating processes involving carbon
materials” Fuel Proc. Techol., 91, 1-8 (2010)
E
2450 MHz
915 MHz

7. Gradiente de temperaturas
Fuente de calor Microondas
Calentamiento convencional Calentamiento en microondas
-T
+T
¿Cómo calientan las microondas?
La energía microondas se aplica directamente sobre los materiales dieléctricos
con lo que realmente no existe un gradiente de temperatura

8. Aparición de microplasmas con materiales carbonosos
¿Cómo calientan las microondas?
El calentamiento en microondas de materiales
carbonosos da lugar a plasmas (o microplasmas)
“tipo bola” y a plamas “tipo arco eléctrico”, lo que
puede resultar un inconveniente o una gran ventaja
dependiendo del tipo de aplicación
J A Menéndez, E J Juárez-Pérez, E Ruisánchez, J Bermúdez, A Arenillas . Ball lightning
plasma and plasma arc formation during the microwave heating of carbons CARBON 49:
346-349 (2011)

9. magnetron
antenna
cavity
Equipos microondas
Sistemas multimodo
(ondas estacionarias)
Cavidad resonante
magnetrón

10. Microondas unimodo con control de Tº y potencia
Stub tuners
IR pyrometer
Aplicador
Carga
Reactor
Detector
Mw
circulator
Generation Propagation Aplication
MagnetrónMagnetron
Waveguide
Detector
Reflected
Power
Emitted
Power
Trasmited
Power
Absorbed
Power
Equipos microondas
Sistemas unimodo
(ondas progresivas)

11. ¿Cómo medir la temperatura dentro de un microondas?
Termómetros IF Termopares (ungrounded)
Sondas de fibra óptica
(fluoroptic® thermometer)

12. ¿Es complicado usar microondas a escala industrial?
MW-assisted grinding of minerals
MW drying
MW-assisted curing of C/C composites
MW-assisted synthesis of xerogels
Dependiendo de la escala y el proceso. Cuanto más grande es la escala
más difícil. Pero ... la mayoría de las veces, se puede hacer con el
diseño apropiado de microondas.

13. ¿Es peligroso usar microondas?

14. ¿Qué ventajas e inconvenientes tiene usar microondas?
•Ahorro de tiempo
•Ahorro de Energía (?)
•Calentamiento directo
•Calentamiento uniforme (?)
•Posibilidad de calentar a distancia
•Equipos más sencillos (y económicos)
•Ahorro de espacio
•Usa energía eléctrica (que puede ser
menos contaminante ?)
•Características diferentes de los productos
(?)
•Grandes posibilidades de desarrollar I+D+i
•No se pueden calentar todos los materiales
(pero pueden usarse “captadores de
microondas”)
•Calentamiento heterogéneo (?)
•Formación de puntos calientes debido a los
arcos eléctricos y/o microplasmas (?)
•Menor implantación industrial (menos
conocimientos técnicos)

15. Algunos ejemplos de procesos térmicos
asistidos con microondas aplicados o
relacionados con los materiales carbonosos

16. Secado de materiales

17. Drying of biomass, microalgae, municipal and industrial sludges,etc.
Up to 95% savings in time and up to 40% energy savings compared to
conventional drying in a stove
Drying of materials
Low temperature processes T < 100 ºC

18. Polimerización, curado y secado de
polímeros

19. Up to 97% savings in time and up to 35% energy savings compared to
conventional processes
Polimerization, draying and curing of polymers
Low temperature processes T < 200 ºC
R/F polymer (a) (b) (c) (d)
Electrical furnace (h) 94 94 94 94
Microwave synthesis (h) 3,5 3,0 3,1 3,4
Time saving (%) 96 97 97 96
Scale production in the lab up to 3 Kg in batch process
Easy to scale to industrial continuous processes

20. Síntesis de materiales de carbono

21. Obtención de tamices
moleculares de carbono
Patente ES 2168923 A1
(16/06/2002)
Síntesis de materiales de carbono
Procesos a altas temperaturas T > 700 ºC

22. Síntesis de nanofilamentos de carbono sobre soportes
Y. Fernández, B. Fidalgo, A. Domínguez, A. Arenillas, J.A. Menéndez “Carbon nanofilament synthesis
by the decomposition of CH4/CO2 under microwave heating”Carbon, 45, 1706-1709 (2007)
Síntesis de materiales de carbono
CxHy  xC + y/2H2
Descomposición térmica de hidrocarburos (CVD)
Nanofilamentos de C crecidos sobre una fibra
de C impregnada con Ni
Procesos a altas temperaturas T > 700 ºC

23. Síntesis de grafeno
Síntesis de materiales de carbono
Procesos a altas temperaturas T > 700 ºC
A partir de polietileno en polvo, que se
volatiliza generando plasmas con una lámina
de aluminio en un tubo de cuarzo a vacío
Pejman Hojati-Talemi, George P. Simon. Preparation
of graphene nanowalls by a simple microwave-
based method. CARBON 48 (2010) ) 3993 –4000
Expansionando grafito en peroxodisulfato de
amonio y H2O2
“caution: excessive microwave intensity or subjecting the reaction
mixture to longer times or large volumes of reacting mixtures can
cause violent explosions”
V. Sridhar, Jin-Han Jeon, Il-Kwon Oh. Synthesis of
graphene nano-sheets using eco-friendly chemicals and
microwave radiation. CARBON 48 (2010) 2953 –2957

24. Curado de polímeros: síntesis de xerogeles de carbono
Xerogel (pH) 5,5 5,8 6,0 6,3
Tiempo en HE (h) 94 94 94 94
Tiempo en MW (h) 3,5 3,0 3,1 3,4
Ahorro tiempo (%) 96 97 97 96
Patente ES 200930256 (3/06/2009)
El curado de polímeros con
microondas es una realidad
industrial. En el grupo MCAT se ha
desarrollado un proceso integral
para la obtención de xerogeles de
carbono con ahorros de tiempo de
mas del 95%
D = 5.7
R/F = 0.5
NaOH 1 M
H2O
1. Cronómetro
2. Medidor de potencia
3. Controlador tipo PID
4. Ventilador
5. Termopar
6. Disolución R/F
Gelación y curado: 85 ºC
Secado: Potencia máx..
La textura porosa de estos materiales
puede controlarse variando el pH del
proceso de síntesis.
Procesos a bajas temperaturas T < 100 ºC
Síntesis de materiales de carbono

25. La síntesis de geles en microondas permite
determinar con precisión el punto de gelación, lo
que a su vez permite la producción de esferas de
geles de carbono y el recubrimiento de materiales
con películas de gel de carbono. Además, estos
materiales tiene una textura porosa que puede
controlarse en el proceso de síntesis.
Curado de polímeros: síntesis de xerogeles de carbono
Procesos a bajas temperaturas T < 100 ºC
Síntesis de materiales de carbono

26. Synthesis of carbons with tailored porous texture, giving rise to the
possibility of specific design for a particular application. Of
particular interest is the research on carbon gels. These materials
are synthesized with different forms: powders, monoliths, spheres,
films, etc. and with controlled porous texture, i.e. microporous,
mesoporous, macroporous and different combinations of those.
These materials can also be doped with, during or after their
synthesis, with metals, or incorporate other materials like fibres,
nanotubes, etc. All these possibilities give these materials a great
potential for its use in a large number of applications such as
double layer capacitor electrodes, catalyst supports, gas
separation, highly specific adsorbents, thermal insulators,
etc.
Controlled porous texture
Synthesis of carbon materials
Low temperature processes T < 100 ºC
Synthesis of R/F carbon xerogels
Our company, Xerolutions, is a spin-off from the MCAT Group at INCAR-CSIC
that produces carbon xerogels for industrial applications
http://www.xerolutions.com/

27. MUESTRA
Velocidad de barrido (mV s-1) %
reducción
2 5 10 20 50 100
ACX-5.8-MW 286 269 257 243 220 195 32
Carbon
comercial
DLC-50
234 214 198 179 160 135 42
Valores de capacidad específica (F g-1) obtenidos mediante tests de
voltametría cíclica usando distintas velocidades de barrido
Síntesis de xerogeles de carbono, mediante radiación microondas, para su
utilización como electrodos en supercondensadores
Conductividad eléctrica
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 5 10 15
Presión (MPa)
Conductividad(Scm
-1
)
CX-MW
CA
CX-C

28. Producción, modificación y
regeneración de carbones activos

29. Obtención de carbones activos (procesos de activación)
Carbones activos preparados a partir
de cáscara de coco (carbonizada), por
activación “física”
Activación con CO2
Activación con vapor de agua
Activación con H2O + CO2
Kunbin Yanga, Jinhui Peng, C. Srinivasakannan, Libo Zhang, Hongying Xia, Xinhui Duan.
“Preparation of high surface area activated carbon from coconut shells using microwave
heating” Bioresource Technology, 101, (2010) 6163-6169

30. Modificación de la química superficial de carbones
Modificación de la química
superficial de carbones
Patente ES 2143412 B1
(21/04/1998)

31. Regeneración de carbones activados saturados
En general, el uso de microondas en la regeneración de carbones tiene un menor
impacto en la perdida en la capacidad de adsorción después de cada ciclo de
regeneración, permitiendo un mayor número de ciclos. No obstante, es necesario tener
en cuenta la polaridad del compuesto que se quiere desorber.
C.O. Ania, J.A. Menéndez, J.B. Parra, J.J. Pis “Microwave-induced regeneration of activated carbons
polluted with phenol. A comparison with conventional thermal regeneration” Carbon 42, 1377-1381, (2004)
Fenol Prometazina

32. Metalurgia y tratamiento de
minerales

33. Molienda de minerales asistida con microondas (coque
metalúrgico, antracita, escorias de acería …)
Es necesario estudiar cada material de forma individual
sin tratamiento
tratado
Los choques térmicos, el
calentamiento heterogéneo, y la
aparición de puntos calientes producen
agrietamiento y debilitan el material.
Como consecuencia se obtiene un
ahorro de tiempo de molienda, menor
consumo de energía y una reducción
en los costes de mantenimiento de los
molinos.
Ahorro de energía
30 - 40 %
Ahorro de tiempo
30 - 4o %
Reducción en las
emisiones de CO2
Reducción en los costes
de mantenimiento
Ahorro de energía
30 - 40 %
Ahorro de tiempo
30 - 4o %
Reducción en las
emisiones de CO2
Reducción en los costes
de mantenimiento

34. Valorización térmica de biomasa
y residuos

35. 1969 - Pyrolysis of coals in a microwave discharge. Fu,
V.C.; Blaustei, B.D. Industrial & engineering chemistry process
design and development, 8, 257
1973 - Microwave pyrolysis of coal and related
hydrocarbons. bodily, dm; che, sc; wiser, wh. abstracts of papers
of the american chemical society, 30.
1987 - Pyrolysis of discarded vehicle tyres by direct
internal heating esp. by microwave radiation to recover
hydrocarbon(s) and carbon black. Apffel, F. Patent: US4647443-
A
1989 - Microwave pyrolysis of organic wastes involving
preheating and pyrolysis in microwave discharge zone; Holland,
K.M..Patents: WO8904355-A1; EP409835-A1; JP3502202-W;
US5084141-A; EP409835-B; US5330623-A.
1994 - Microwave pyrolysis of biomass. Kriegerbrockett, B.
Research on chemical intermediates, 20, 39-49.
1999 - Microwave high pressure thermochemical conversion
of sewage sludge as an alternative to incineration.
Bohlmann, JT; Lorth, CM; Drews, A; et ál.. Chemical Engineering &
Technology. 22, 404-409.
Primeras investigaciones en pirólisis inducida por
microondas MIP

36. La pirólisis es una descomposición termoquímica e irreversible de
materiales orgánicos a temperaturas elevadas en ausencia de oxígeno.
Implica el cambio simultáneo de estado físico y composición química.
ORGANIC
MATERIAL
Conventional heating
(fired ovens, electrical ovens)
Microwave heating
GAS FRACTION
(H2, CO, CO2, CH4, CnHm…)
LIQUID FRACTION
SOLID FRACTION
(char)
AQUEUS FRACTION
OIL FRACTION
Las variables del proceso (es decir, la temperatura, la velocidad de calentamiento, el flujo de gas inerte,
presencia de catalizadores, etc.) afectan los rendimientos y la composición de las diferentes fracciones
Pirólisis de biomasa y residos orgánicos

37. Diferencias entre la pirólisis convencional y microondas
Los residuos orgánicos y la biomasa son transparentes a las microondas por lo
que se necesita añadir un receptor o captador de microondas

38. Pirólisis asistida con microondas de lodos EDARs
rendimientos (% masa)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
convencional microondas
Char Oil Gas
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
H2 CO CH4 CO2 C2H4 C2H6 H2+CO
%Vol
convencional microondas
1000 ºC
Composición de los gases de pirólisis
Con la pirólisis en microondas se produce más cantidad de gases,
menos CO2 y una mayor proporción de gas de síntesis (aprox. 90% vol.)
J.A. Menéndez, A. Domínguez, M. Inguanzo, J.J. Pis “Microwave-Assisted
Pyrolysis of Sewage Sludge: Characteristics of the Gas Fraction” J. Anal. App.
Pyrolysis, 71, 657-667 (2004)
Producción de H2

39. Pirólisis asistida con microondas de biomasa (residuos de café)
Con la pirólisis en microondas se produce más cantidad de gases, menos CO2 y una
mayor proporción de gas de síntesis. A temperaturas menores las diferencias son
mayores
J.A. Menéndez, A. Domínguez, Y. Fernández, J.J. Pis, J.M. Valente Nabais, P.J.M. Carrot, M.M.L.
Ribeiro Carrot “Conventional and microwave induced pyrolysis of coffe hulls for the production of
a hydorgen rich fuel gas” J. Anal. App. Pyrolysis, 79, 128-135 (2007)
0
10
20
30
40
50
60
H2 C O C O2 C H4 C 2H4 C 2H6
Volumen(%)
500
800
1000
0
10
20
30
40
50
60
H2 C O C O2 C H4 C 2H4 C 2H6
Volumen(%)
500
800
1000
convencional
HM
microondas
Producción de H2

40. Pirólisis asistida con microondas de glicerina
52,2 55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,49
0
20
40
60
80
100H2+CO(%) H2 - HM
C O-HM
52,2 55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,49
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HM
C O-HM
52,2 55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,49
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HM
C O-HM
52,2 55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,49
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HM
C O-HM
17,8
48,8 54,4 49,5 48,7 45,6
9,4 18,8
28,9 34,2
1,2
4,8
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HE
C O-HE
17,8
48,8 54,4 49,5 48,7 45,6
9,4 18,8
28,9 34,2
1,2
4,8
0
20
40
60
80
100H2+CO(%) H2 - HE
C O-HE
17,8
48,8 54,4 49,5 48,7 45,6
9,4 18,8
28,9 34,2
1,2
4,8
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HE
C O-HE
17,8
48,8 54,4 49,5 48,7 45,6
9,4 18,8
28,9 34,2
1,2
4,8
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HE
C O-HE
17,8
48,8 54,4 49,5 48,7 45,6
9,4 18,8
28,9 34,2
1,2
4,8
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HE
C O-HE
52,2 55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,49
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HM
C O-HM
17,8
48,8 54,4 49,5 48,7 45,6
9,4 18,8
28,9 34,2
1,2
4,8
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HE
C O-HE
52,2 55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,49
0
20
40
60
80
100
H2+CO(%)
H2 - HM
C O-HM
400 500 600 700 800 900
T (ºC)
49,5 48,7 45,6
18,8
28,9 34,2
H2 - HE
C O-HE
55,4 51,3 47,1 45,9 46,2
18,1 29,5 34,6 34,9
8,4
H2 - HM
C O-HM
H2 - microondasH2 - convencional
CO - convencional CO - microondas
Con la pirólisis en microondas se produce más cantidad de gases, menos CO2 y una
mayor cantidad de H2 y de de gas de síntesis. A temperaturas menores las diferencias
son mayores
Y Fernández, A Arenillas, M A Diez, J J Pis, J A Menéndez Pyrolysis of
glycerol over activated carbons for syngas production. J. Anal. App.
Pyrolysis, 145-150 (2009)
Producción de H2

41. Reacciones de catálisis heterogénea
asistidas con microondas

42. Descomposición catalítica de metano asistida con microondas
Producción de H2
Cuando se usa horno microondas se
producen nanofilamentos de carbono0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 15 30 45 60 75 90 105 120
Tiempo (min)
CH4conversion(%)
convencional
microondas
La descomposición asistida con microondas
produce conversiones iniciales más altas.
CH4  C + H2
Usando un carbón activado que actúa como
catalizador y como captador de microondas
A. Domínguez, B. Fidalgo, Y. Fernández, J.J. Pis, J.A. Menéndez. Microwave-
assited catalytic decomposition of methane over activated carbon for CO2-free
hydrogen production. Internacional Jornal of Hydrogen Energy, 32, 4792-4799 (2007)

43. Reformado seco de metano (auto-reformado de biogás) en microondas
0
20
40
60
80
100
0 60 120 180 240 300
Tiempo (min)
Conversión(%) CH4 conversión HE CO2 conversión HE
CH4 conversión MW CO2 conversión MW
Patente ES 2007/01512 (1/06/2007 )
CH4 + CO2 ↔ 2H2 + 2CO
CH4 ↔ C + 2H2
CO2 + C ↔ 2CO
Se consumen dos gases “efecto
invernadero” (CO2 y CH4) para producir
gas de síntesis (H2 + CO)
700 ºC
CH4 = 40%
CO2 = 60%
La conversión en el microondas es prácticamente del 100%
debido a la formación de microplasmas
B. Fidalgo, A. Domínguez, J. J. Pis, J.A. Menéndez
“Microwave-Assisted Dry Reforming of Methane” International
Journal of Hydrogen Energy, 33, 4337-4344 (2008)
Producción de H2

44. Por cierto…

45. … también lo usamos para calentar el café

46. El calentamiento con microondas puede reducir tiempo,
energía y costes en numerosos procesos industriales que
implican calentamiento
Conclusión

47. Agradecimientos
CDTI-CENIT: SOT-CO2 and VIDA
MICINN, Plan Nacional de I+D+I, INNPACTO
CSIC
Dr. J. Angel Menéndez
Dra. Ana Arenillas de la Puente
Dr. Miguel Montes
Dra. Montserrat Inguanzo
Dr. Antonio Domínguez
Dra. Yolanda Fernández
Dra. Beatriz Fidalgo
Dra. Leire Zubizarreta
Dr. Emilio Juárez
Dr. Ángel Hernández
Dra. Esther Gómez
Dr. Jose Miguel Bermúdez
Dr. Esteban Ruisánchez
Natalia Rey
Daniel Beneroso
Isabel Díaz
Sara Fernández
Sandra Rodríguez
Nuria Ferrera
Exeleria S.A.
Fundacion Investigacion e Innovacion para el
desarrollo social
KUST
MATGAS 2000 AIE
PCTI-Asturias
Biogas Fuel Cell S.A.
ArcelorMittal
Carburos Metálicos
UE-FP7, SYNPOL PROJECT
Soporte económico:
Actuales y antiguos miembros
de MCAT: