principales métodos de desulfurización de biogás

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INGENIERA HIDRULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXXVI, No. 1, Ene-Abr 2015, p. 45-56

recibido: Junio 2014 aprobado: Octubre 2014

Principales mtodos para la desulfuracin del biogs

MsC. Lianys Ortega Viera e-mail: [email protected] Depto. de Ing. Qumica, Fac. de Ing. Qumica, Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (Cujae).

Dra. Susana Rodrguez Muoz e-mail: [email protected] Centro de Estudios de Ingeniera de Procesos, Fac. de Ing. Qumica, Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (Cujae).

Dra. Elina Fernndez Santana e-mail: [email protected] Depto. de Ing. Qumica, Fac. de Ing. Qumica, Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (Cujae).

MsC. Liuver Brcenas Prez e-mail: [email protected] Vicedecano Econmico Administrativo, Fac. de Ing. Qumica, Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (Cujae). RESUMEN El mundo actual enfrenta una crisis energtica, donde uno de los factores que contribuye a ello es el uso indiscriminado de los combustibles convencionales, para ello se han buscado alternativas de obtencin de biocombustibles como es el caso del biogs. El biogs contiene sulfuro de hidrgeno, el cual tiene un alto grado de toxicidad y poder corrosivo, que limita su uso. Los mtodos para la desulfuracin de efluentes gaseosos se pueden clasificar, de acuerdo con sus principios fsico-qumicos, como: absorcin utilizando compuestos qumicos inorgnicos y orgnicos, adsorcin por mtodos fsicos, mtodos biotecnolgicos y filtracin por membranas. El objetivo del presente trabajo es exponer las principales caractersticas de los mtodos ms empleados a nivel mundial y se muestran adems los resultados alcanzados a partir de las experiencias cubanas.

Palabras clave: biogs, desulfuracin, mtodos, sulfuro de hidrgeno. Principal methods for biogas desulphurization ABSTRACT At present the world is facing an energy crisis, where one of the factors contributing to it is the indiscriminate use of conventional fuels, therefore, alternatives for obtaining biofuels such as biogas are being sought. Biogas contains hydrogen sulphide, which has a high toxicity and corrosive properties, which limits their use. Methods for efluent gas desulphurization can be classified according to their physico-chemical principles as follows: absorption using inorganic and organic chemicals, physical adsorption, biotecnologichal methods and membrane filtration. In this paper an analysis of the methods used worldwide is presented as well as the results achieved from the Cuban experience.

Keywords: biogas, desulphurization, methods, hydrogen sulphide.

Principales mtodos para la desulfuracin del biogs ______________________________________________________________________________

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ING. HIDRULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXXVI, No. 1, Ene-Abr 2015, ISSN 1815591X, RNPS 2066

INTRODUCCIN El camino hacia el desarrollo energtico sostenible ha permitido ampliar cada vez ms, el

empleo de fuentes de energa renovables para la generacin de electricidad y para la coccin de alimentos. En Cuba, en el ao 1993, se aprob el Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energa, con el cual se ha incentivado la generacin y aprovechamiento del biogs, llamado a convertirse en una fuente energtica de primera importancia.

El biogs es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos

especficos, por las reacciones de biodegradacin de la materia orgnica, mediante la accin de microorganismos y otros factores, en un ambiente anaerbico. Est compuesto fundamentalmente por metano (CH4(g)) (55-70)%, dixido de carbono (CO2(g)) (30-45)% y sulfuro de hidrgeno (H2S(g)) (1-3)%, entre otros. La concentracin de los diferentes gases en el biogs, depende de la composicin de las materias primas, las condiciones de descomposicin, tiempo de retencin hidrulica en el biodigestor, entre otros (Varnero et al. 2012). Todas las relaciones porcentuales referidas a la composicin del biogs y a los lmites mximos permisibles a los que se hacen referencia en el trabajo son expresados en funcin volumtrica.

De todos los gases, el CH4(g) resulta el de mayor inters desde el punto de vista econmico,

debido a su utilidad como combustible por su alto valor calrico (Morero y Campanella 2013). Sin embargo, el H2S(g) es un gas extremadamente txico e irritante, produce inconsciencia en los seres humanos, conjuntivitis, dolor de cabeza, deficiencia respiratoria, alteraciones en electrocardiograma, en el sistema nervioso central, entre otros. Es el compuesto que le da el olor caracterstico a huevo podrido a estos gases, no tiene color, es inflamable y extremadamente peligroso (Vquez 2010).

Si el biogs es utilizado para equipos tales como: generadores elctricos, microturbinas y

otros, el H2S(g) puede causar daos internos. En el caso de los generadores elctricos, la presencia del H2S(g) disminuye la vida til de todos los equipos que intervienen en la produccin, transferencia y suministro de energa elctrica (Varnero et al. 2012).

La emisin de compuestos de azufre, como el H2S(g) es responsable de daos importantes a la

vegetacin cercana a la fuente de vertimiento y adems, contribuye a la llamada lluvia cida (Horikawa 2004). El H2S(g) presenta severos efectos negativos sobre los ecosistemas acuticos, marinos y terrestres, influyendo en la magnitud de las afectaciones, la concentracin, tiempo y frecuencia de exposicin.

Teniendo en cuenta los efectos nocivos del H2S(g) desde los puntos de vista social,

medioambiental, tecnolgico y econmico es importante eliminar o disminuir su concentracin presente en el biogs. En la literatura consultada, se reportan diferentes valores como lmite mximo permisible (LMP) para el H2S(g). En el caso de la norma mexicana establece como LMP 0,1% (Rodrguez 2009). Por otro lado, el Instituto de Salud y Seguridad Ocupacional de Estados Unidos (NIOSH), ha recomendado una concentracin mxima para el nivel de exposicin del H2S(g) en aire de 0,014% (10 mg/L). Con este valor coinciden la Administracin de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) y la Conferencia de Higienistas Industriales Gubernamentales de Estados Unidos (ACGIH), precisando que es LMP como exposicin promedio para un da de trabajo de ocho horas y ambas instituciones, permiten un lmite de

Lianys Ortega Viera, Susana Rodrguez Muoz, Elina Fernndez Santana, Liuver Brcenas Prez ______________________________________________________________________________

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exposicin a corto plazo ligeramente superior a 0,021% (15 mg/L) durante no ms de 15 minutos (Judge 2014). Con el propsito de lograr un mayor aprovechamiento del biogs, es necesario que el mismo sea sometido a un tratamiento previo antes de ser empleado con fines energticos. Es por ello que el objetivo del presente trabajo es exponer las principales caractersticas, de varios mtodos que existen a nivel mundial para la desulfuracin del biogs.

DESARROLLO Los mtodos de desulfuracin de gases surgen desde mediados del siglo XX y se aceleran con

la crisis energtica mundial de principios de los aos 70, que actualmente no se ha detenido. Estos mtodos se pueden agrupar fundamentalmente en: absorcin utilizando compuestos qumicos inorgnicos y orgnicos, adsorcin por mtodos fsicos, biotecnolgicos y filtracin por membranas. La seleccin de uno u otro mtodo depende del anlisis costo-beneficio de la propuesta empleada. De manera general, las desventajas fundamentales consisten en que son procesos con altos costos de operacin e inversin; no obstante, se continan los estudios para mejorar la eficiencia de los mismos.

Absorcin empleando compuestos qumicos inorgnicos y orgnicos

La absorcin es una operacin en la cual se pone en contacto una mezcla gaseosa con un lquido, que posee propiedades selectivas con respecto a la sustancia que se quiere extraer, con el propsito de disolver uno o ms componentes del gas y obtener una solucin de stos en l. Este mtodo se basa en la transferencia de masa entre la sustancia gaseosa a depurar y un lquido denominado absorbedor, que posee propiedades selectivas de absorcin. En muchos casos, la misma se produce conjuntamente con una reaccin qumica, que absorbe una sustancia seleccionada segn las caractersticas qumicas de ambos. Los mtodos de purificacin por absorcin son muy recomendados para la eliminacin del H2S(g) presente en masas gaseosas, pues este contaminante es extremadamente reactivo con la mayora de los metales, incrementndose la absorcin en la medida que aumenta su concentracin, la presin, la humedad y la temperatura (Horikawa 2004).

En la literatura consultada se reporta la absorcin del H2S(g) a partir de compuestos de hierro.

Las limallas de hierro se colocan en columnas rellenas con otros materiales como el aserrn y se humedecen con agua de manera discontinua. El proceso opera a diferentes presiones y ha permitido remover eficientemente el H2S(g), con un contenido de humedad de las limallas entre el 30 y 60% y un pH entre 7,5 y 8,5. En este mtodo es posible utilizar el xido de hierro (III) hidratado para la purificacin del biogs, la adicin de cloruro de hierro (III), utilizacin de pellets de hierro, de residuos de la extraccin de nquel, lavado con solucin de hidrxido de sodio, as como otros sustratos secos como el xido de zinc, slidos alcalinos, entre otros (Vquez 2010).

Tambin se emplean compuestos orgnicos para la desulfuracin del biogs, las ms usadas

son las soluciones de aminas (mono, di, tri-etanol aminas o glicol aminas), las cuales se combinan por el grupo amino con el CO2(g) y el H2S(g) para obtener hidrgeno, carbonato de amonio o sulfuro de amonio. Este tratamiento tiene como requisito, que las aminas se operan en procesos calientes porque el calor favorece la reaccin qumica. No obstante, debe controlarse la temperatura para que el calor no sea excesivo porque puede causar vaporizacin y prdida de la


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solucin qumica. Es por ello que se ha establecido la operacin hasta 48oC. De todas las sustancias que se podran emplear, la hidroxi-amino etilester es la menos corrosiva y no forma espuma, por lo que es la ms adecuada para la desulfuracin de gases (Varnero et al. 2012).

Varios autores consideran que el proceso de absorcin con aminas es de los ms eficientes,

los costos de operacin son bajos, se puede lograr la regeneracin de la amina y tienen muy bajas prdidas de metano. Sin embargo, tiene como desventajas que es necesario suministrar calor para la regeneracin, se pueden presentar problemas de corrosin, existen precipitados de sales, posibles formaciones de espumas, descomposicin y envenenamiento de aminas por la presencia de dioxgeno y otras sustancias qumicas (Rodrguez 2009).

Otros compuestos que se utilizan para la remocin del H2S(g) son el Towsend, donde se emplea

etilenglicol con dixido de azufre y el Purox, donde se aplica una solucin de amonio de hidroquinona. Tambin se ha propuesto el mtodo denominado fregado o limpieza hmeda, donde se emplea agua como absorbente. En l se pone en contacto el agua que fluye a contracorriente, con el biogs a purificar en torres o columnas (rellenas o no), donde se efecta la transferencia de masa de CO2(g) y H2S(g) (Varnero et al. 2012). Este mtodo tiene como ventajas que requiere poca infraestructura, es de relativamente bajo costo y las prdidas de metano son bajas (menores del 2%). Adems, permite a la planta ajustarse a los cambios de presin y temperatura. Sin embargo, tiene como desventajas que propicia el atascamiento por el crecimiento bacterial, formacin de espumas y baja flexibilidad a las variaciones en el gas de entrada (Rodrguez 2009).

La aplicacin de los mtodos de absorcin qumica tiene como limitantes que requieren del

empleo de sustancias reactivas, de las cuales muchas son corrosivas, demandan el empleo de agentes inhibidores y antiespumantes. Estas sustancias tienen elevados costos en el mercado internacional, lo cual limita su aplicacin en Cuba. A lo anterior se aade que estas tecnologas generan grandes volmenes de residuos lquidos contaminados y que el clima cubano es muy hmedo, provocando la rpida oxidacin y deterioro de los compuestos de hierro, haciendo ineficaz esta metodologa de purificacin.

Mtodos biotecnolgicos

La biodesulfuracin es el proceso en el cual se emplean microorganismos para remover azufre o compuestos de azufre bajo tratamiento. Se basa en la capacidad de ciertos microorganismos aerobios azufre-oxidantes, como el Thiobacillus ferrooxidans, Methylobacterium, Paracoccus Pseudomonas, Starkeya, Sulfolobus y anaerobios como Allochromatium, Chlorobium, Rhodopseudomonas, Rhodovulum y Thiocapsa, para oxidar compuestos reducidos de azufre transformndolos en sustancias de fcil eliminacin, como azufre elemental (S) o sulfatos (SO4)-2, fijando CO2(g) simultneamente como funcin estequiomtrica de la oxidacin del sulfuro. De esta forma, se puede lograr un enriquecimiento en CH4(g), al remover CO2(g) y eliminar la sustancia ms corrosiva (H2S(g)) y limitante para usos posteriores del gas purificado (Varnero et al. 2012).

Uno de los gneros con el cual se ha obtenido buenos resultados es el Thiobacillus. Se

reportan resultados donde se opera con un sistema biolgico, diseado para tratar biogs, el cual se inocula con Thiobacillus denitrificans. En este caso los resultados indican que se logra una


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remocin de H2S(g) de casi 100%, durante tres meses y medio. Este tiempo se considera excesivo, debido a que se trabaja con cultivos puros y una bacteria especfica. Posteriormente, se propone operar con cultivos mixtos, asumiendo que es el microorganismo Thiobacillus denitrificans, el responsable de la oxidacin del sulfuro. Estas condiciones de operacin implican que, para evitar la oxidacin del CH4(g), se tendra que operar el sistema biolgico bajo condiciones estrictamente anaerbicas y adems, inhibir a la enzima metano monooxidasa, responsable de la oxidacin, mediante la adicin de inhibidores conocidos, como amonio, nitrato y nitrito.

Otros estudios indican resultados satisfactorios al realizar pruebas con diferentes

microorganismos para la remocin de H2S(g). Entre ellos se encuentran Pseudomonas putida (S1), Citrobactersp. (S4) y Enterobactersp. (S5), con el cual se obtuvo una remocin de H2S(g) de 96,67% en 24 horas de aireacin. Tambin se han empleado cultivos puros de clulas de Thiobacillus thiooxidans JCM 7814, donde se utiliza el citrato de sodio como tampn. Otra alternativa es el empleo de bacterias fotosintticas como la Chlorobium limicola y la forma de Thiosulfatophilum, las cuales pueden convertir el H2S(g) a azufre elemental o sulfato (Rodrguez 2009).

Para desarrollar el proceso de biodesulfuracin empleando los microorganismos antes

mencionados, se necesita de un soporte. Con este fin se utilizan sistemas que permiten que los microorganismos seleccionados, que pueden encontrarse inmovilizados o en suspensin, mineralicen los compuestos a tratar. En la bibliografa aparecen como sistemas ms empleados los biolavadores, biofiltros de lecho fijo y biofiltros de lecho escurrido (Varnero et al. 2012).

Las tcnicas biolgicas poseen una serie de ventajas sobre los mtodos fsico - qumicos como

son: alta eficiencia, menor costo de inversin y operacin; ya que utilizan equipos sencillos y de bajo consumo de reactivos. Adems, no requieren catalizadores qumicos y evitan la formacin de contaminantes secundarios. Generalmente operan a moderadas temperaturas y condiciones ambientales, por lo que tienen menor consumo energtico, eliminan tanto el azufre pirtico como parte del orgnico, tienen alta especificidad por el sustrato a remover y no provocan prdidas en el poder calrico del combustible tratado (Varnero et al. 2012). Sin embargo, el procedimiento es lento, siendo necesario buscar nuevos microorganismos que reduzcan los tiempos de residencia y hagan ms competitivo el proceso a escala industrial.

Estos sistemas son muy eficientes, pero el mantenimiento de un cultivo puro o mixto definido,

resulta complejo. El cultivo de estos microorganismos a gran escala, su almacenamiento y transportacin eleva los costos del proceso. Normalmente, para llevarlos a cabo, se necesitan materiales de construccin especiales para mantener condiciones aspticas, operaciones de cultivo, recirculacin y recuperacin de la biomasa para los procesos de arrancada y de operacin entre otras barreras (Rodrguez 2009).

En Cuba se trabaja en el tema desde la dcada del 90 del siglo XX, reportndose en 1999 un

mtodo simple y econmico para la remocin del H2S(g) presente en el biogs y gas acompaante del petrleo (GAP). Este consiste en poner en contacto el gas combustible con un residual lquido, en presencia de pequeas cantidades de O2(g) (menor del 5% del gas combustible) (Rodrguez 2009). El empleo de residuales lquidos permite que el sistema no requiera de inoculacin, lo cual constituye una ventaja frente al resto de los mtodos biolgicos consultados.


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El mtodo biolgico patentado (Fernndez 2004), resulta una alternativa muy ventajosa si se compara con los mtodos fsico qumicos y biolgicos reportados hasta la actualidad, teniendo en cuenta que no consume reactivos qumicos, sino que aprovecha residuales lquidos contaminantes (domsticos y porcinos), para tratar gases con concentraciones de H2S(g) por encima del valor normado internacionalmente. Este mtodo tiene bajos costos de aplicacin, es factible y con accesibilidad y en el 2009 se expusieron los resultados de una investigacin dirigida a estudiar el mtodo y su adaptacin para ser aplicado en otros equipos de contacto gas lquido tradicionales. As, se trabaja con el propsito de disminuir las limitaciones de esta variante tecnolgica, que se resumen en el alto tiempo de residencia del gas en el interior del reactor, lo que implicara el empleo de reactores de grandes volmenes para tratar flujos volumtricos iguales (Rodrguez 2009).

Adsorcin por mtodos fsicos

La adsorcin es la unin de los tomos, iones o molculas de un gas o de un lquido (adsorbato) a la superficie de un slido (adsorbente). Las operaciones de adsorcin se basan en la capacidad de ciertos slidos de extraer con preferencia ciertas sustancias de una solucin, concentrndola sobre su superficie. A estos procesos tambin se les denomina de lecho seco y para la purificacin de gases combustibles, los adsorbentes ms empleados son: alminas, slicagel, carbn activado y tamices moleculares (Gonzlez 2006).

El proceso de adsorcin ocurre sobre la superficie del adsorbente donde las molculas son

retenidas por fuerzas electrostticas dbiles y los factores que influyen en el mismo son la humedad, selectividad, temperatura, presin y presencia de partculas.

Si la superficie utilizada contiene xido de hierro (II) (FeO) u xido de zinc (ZnO), la

adsorcin es qumica e irreversible. Para casos de superficies de zeolitas o carbn activado, la reaccin es fsica, por lo tanto los lechos pueden ser regenerados.

Las tecnologas que emplean los pellets de hierro son muy utilizadas porque se logra reducir

los niveles de H2S(g), desde 3 600 mg/L a 1 mg/L. Esta operacin presenta beneficios tales como operacin simple y efectiva, no obstante, hay desventajas crticas de esta tecnologa que han llevado a la disminucin de su uso en los ltimos aos. Este proceso es altamente qumico intensivo, los costos de operacin pueden ser altos y adems, se puede acumular una corriente continua de material de desecho agotado. En ocasiones, los pellets agotados, pueden considerarse residuos peligrosos que requieren procedimientos especiales de tratamiento (Rodrguez 2009).

Para el caso de escalas mayores (industrial), el carbn activado es impregnado de hidrxido

de potasio (KOH) o yoduro de potasio (KI), estos procesos ocurren a temperatura ambiente y presin atmosfrica. El H2S(g) es transformado en azufre elemental y agua, de acuerdo con la reaccin de Claus. En este caso es preciso conservar los niveles de dioxgeno entre un 0,3 y un 0,5%. El carbn activado es el encargado de adsorber el azufre elemental, producto de la reaccin. El diseo habitual es constituido por dos o ms lechos adsorbentes dispuestos en paralelo, de esta forma hay uno siempre funcionando, mientras los saturados se regeneran, generalmente con una corriente de aire o vapor de agua. Estas tecnologas permiten un nivel de remocin del 100% de H2S(g).


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Los mtodos de purificacin por adsorcin son muy efectivos y reducen las cantidades de contaminantes hasta los niveles requeridos pero, el empleo de cualquiera de los cuatro adsorbentes: alminas, carbn activado, slicagel y tamices moleculares, tiene como limitante fundamental para Cuba su elevado costo en los mercados especializados. Adems, presentan costos de operacin altos, por lo que su aplicacin en pases en vas de desarrollo se encuentra limitada (Rodrguez 2009).

Mtodo de separacin por membranas

Este mtodo se basa en la difusin de algunos compuestos que pasan a travs de una membrana selectiva, generalmente construida con polmeros orgnicos porosos en diferentes configuraciones y es extremadamente fina (del orden de los micrones). Se ha utilizado para separar selectivamente determinados gases que estn presentes en los gases combustibles de forma general. Las membranas empleadas hasta el momento son muy frgiles y tienen poros excesivamente pequeos, por lo que se requiere que el gas de entrada a las membranas est limpio de material con partculas en suspensin. Estos sistemas son caros y generalmente son adecuados para aplicaciones a pequea escala, aunque se han obtenido resultados satisfactorios en estudios a nivel piloto usando membranas de poliamida y acetato de celulosa, las que demostraron ser efectivas en la remocin de CO2(g) y H2S(g) del biogs (Rodrguez 2009).

Desde el ao 1999 se reporta en la literatura la utilidad que las membranas cermicas poseen

por sus caractersticas. En la separacin de mezclas gaseosas las membranas densas o de poro nano o subnanomtrico son de gran utilidad, se han empleado en la separacin de mezclas de dixido de carbono / metano, dihidrgeno / dioxgeno, dinitrgeno / amonaco, dihidrgeno/

dinitrgeno, entre otras. Se considera que en algunos casos se puede plantear que existe cierta actividad cataltica de la membrana, al permitir un considerable enriquecimiento de mezclas 1:1:1 de metano/etano/propano aumentando hasta el 64% la masa de metano y decreciendo hasta casi eliminar el contenido de propano en una sola etapa.

Las reas de la ingeniera que ms se han visto favorecidas con estas aplicaciones son

principalmente las industrias de los alimentos, del papel, la biomedicina, la petroqumica, la nuclear y entre otras, la de separacin o purificacin de gases, donde se obtiene dihidrgeno de la disociacin del amonio, el sulfuro de hidrgeno del gas natural de las refineras, helio del gas natural, as como el enriquecimiento del dioxgeno a partir del aire (Benito 2004). Se debe hacer especial mencin en cuanto a las aplicaciones de las membranas, la recuperacin de sustancias valiosas en aguas o gases de desechos industriales y que como desperdicio simplemente son causa de una severa contaminacin ambiental. En relacin con las aplicaciones, la literatura aumenta considerablemente bajo la sospecha de convertir, en un futuro prximo, a las membranas en una tecnologa comn en todos los pases.

En la literatura se reportan importantes progresos en la reproducibilidad de la sntesis de las

membranas zeolticas, esto unido a la selectividad de las zeolitas para interactuar con molculas que se adsorban selectivamente dependiendo de su forma, tamao y caractersticas qumicas, posibilita la eficaz separacin de mezclas representativas, tales como las de alcoholes/agua y las que incluyen diversos gases, como por ejemplo, mezclas de ismeros del butano, del hexano o del xileno, propano/dinitrgeno, dixido de carbono/dinitrgeno y otros gases (Coronas 2007).


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En la literatura consultada se reportan numerosas aplicaciones de las membranas en el tratamiento de gases con presencia de H2S(g). A nivel mundial existen alrededor de 200 plantas de tratamiento que incorporan membranas en la eliminacin de CO2(g) y H2S(g) (Benito 2004).

Los trabajos ms recientes sobre membranas en el Instituto Superior Politcnico Jos Antonio

Echeverra (Cujae), reflejan la obtencin de las mismas a partir de materiales vtreos con variedad en el tamao de sus poros, de manera tal que stas dejen pasar o retengan las sustancias segn su tamao (Brcenas 2009). La optimizacin de los procesos de fabricacin de membranas condujo al desarrollo de nuevas membranas con propiedades de separacin especficas, adecuadas para la separacin de mezclas de gases.

Los materiales vtreos tienen mltiples propiedades y aplicaciones en el campo de la industria

qumica. No obstante, se conoce que en Cuba y en el mundo, los desechos vtreos continan siendo una preocupacin, ya que una vez que culmina su vida til, solamente es reutilizada una parte de stos como materia prima en la industria del vidrio y el resto en ocasiones no tiene un uso adecuado (Brcenas 2009).

En la Facultad de Ingeniera Qumica, del Instituto Superior Politcnico Jos Antonio

Echeverra, se han desarrollado experiencias en cuanto a la reutilizacin de los materiales vtreos de desecho con fines medioambientales. Un grupo de investigadores integrado por estudiantes, profesores e investigadores externos, ha obtenido membranas vtreas a partir de los desechos de vidrio del tipo borosilicato, carbn vegetal y ZnO a diferentes proporciones y granulometra (Brcenas 2009), las que han sido utilizadas ms recientemente en el tratamiento del biogs, permitiendo confirmar la remocin de H2S(g) presente en el biogs sin eliminar de su composicin al CH4(g).

En este proceso de separacin con membranas vtreas, que se encuentra actualmente en

desarrollo, se han obtenido resultados alentadores en cuanto a la remocin de H2S(g) presente en el biogs. Las primeras experiencias se realizan considerando la influencia de tres variables independientes sobre la variable respuesta: remocin de H2S(g). Para ello se efecta un diseo de experimento multinivel factorial 22.31. En la tabla 1 se muestran los niveles considerados para cada uno de los factores estudiados.

Tabla 1. Factores y niveles considerados en la purificacin del biogs

empleando membranas vtreas Factores Niveles Cantidad de ZnO(s) (g) 0 1,25 1,58 Flujo de operacin (L/h) 25 35 Dimetro de partcula de carbn

vegetal (mm) < 0,067 0,067 - 0,130

Una vez establecidos estos criterios se procede a la operacin del sistema empleando las

membranas vtreas, realizando 12 corridas experimentales. Los resultados alcanzados se muestran en la tabla 2.


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Tabla 2. Resultados alcanzados en la purificacin del biogs empleando membranas vtreas

Muestras c(H2S(g)) inicial (%)

c(H2S(g)) final (%)

Remocin H2S(g) (%)

1

0,178

0,119 33,18 2 0,097 45,83 3 0,061 65,83 4 0,035 80,25 5 0,095 46,54 6 0,114 35,83 7 0,119 33,18 8 0,059 66,59 9 0,061 65,83

10 0,119 33,18 11 0,120 32,58 12 0,059 66,59

c(H2S(g)) inicial: concentracin inicial de H2S(g) en el biogs. c(H2S(g)) final: concentracin final de H2S(g) en el biogs.

Como se puede observar en la tabla 2 en las 12 muestras hay remocin de H2S(g), logrando en

la mayora de los casos que la concentracin final de H2S(g) presente en el biogs, est por debajo del valor normado (< 0,1% molar) (Rodrguez 2009). De este anlisis resulta que las condiciones en las que trabajan las diferentes muestras, permiten una mayor remocin de H2S(g) en las muestras 3, 4, 8, 9 y 12, donde se obtienen los menores valores para la concentracin final de H2S(g) presente en el biogs. Los resultados indican que despus de este tratamiento, el biogs est en condiciones de ser empleado cumpliendo con las normas establecidas.

La diferencia de los resultados que se muestran se debe a la influencia de los factores

considerados en el diseo de experimento. A partir del empleo del programa estadstico Statgraphics Centurion XV, se obtiene para las condiciones reportadas, que los factores que influyen de manera significativa en la variable respuesta son la masa de ZnO y la interaccin del dimetro de partcula de carbn vegetal con el flujo de operacin. En la ecuacin (1) se muestra el modelo estadstico que permite conocer el comportamiento de la variable respuesta, con respecto a los factores significativos, con una correlacin R2 = 83,50%.

RH2S(g) = 45,1825 + 17,1454*MZnO - 3,16778*dpcarbn*Q + 6,40458*M2ZnO (1)

donde:

RH2S(g): remocin de H2S(g) (%) MZnO: masa de ZnO (g) dpcarbn: dimetro de partcula de carbn vegetal (mm) Q: flujo de operacin (L/h)

A partir de este anlisis se obtienen como valores ptimos, segn el programa estadstico

Statgraphics Centurion XV, para el proceso de remocin de H2S(g) empleando membranas vtreas, los que se muestran en la tabla 3.


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Tabla 3. Valores ptimos para la remocin de H2S(g) empleando membranas vtreas Factores Bajo Alto ptimos dpcarbn (mm) < 0,067 0,067 - 0,130 0,067 Masa de ZnO (g) 0 1,58 1,58 Q (L/h) 25 35 25

Estos resultados se obtienen a escala de laboratorio, por lo que el grupo que desarrolla esta

investigacin deber continuar perfeccionando este mtodo con el propsito de que pueda ser empleado en Cuba, ya que el pas no dispone de recursos materiales para llevar a cabo otros procesos empleados a nivel mundial, que son ms caros y por tanto, no estn al alcance de pases en vas de desarrollo. Adems, la reutilizacin de materiales vtreos de desecho en la confeccin de las membranas constituye un valor agregado de estos resultados, por la contribucin a la disminucin del impacto ambiental.

Un resumen de las caractersticas fundamentales, las ventajas y las desventajas de los

diferentes mtodos de desulfuracin de biogs, se muestran en la tabla 4 y en la tabla 5.

Tabla 4. Mtodos de desulfuracin de biogs, caractersticas, ventajas y desventajas (contina en la tabla 5)

Mtodos de desulfuracin de gases

Caractersticas Ventajas Desventajas

Absorcin empleando compuestos qumicos inorgnicos y orgnicos

Pone en contacto una mezcla gaseosa con un lquido, con propiedades selectivas respecto a la sustancia que se quiere extraer:

A partir de compuestos de hierro

-Opera a diferentes presiones -Remueve eficientemente

Clima cubano es muy hmedo, provoca rpida oxidacin y deterioro de compuestos de hierro

Con aminas

-Es de los ms eficientes, costos de operacin son bajos -Se puede lograr la regeneracin de la amina -Tienen muy bajas prdidas de metano

-Necesitan calor para la regeneracin -Pueden presentar problemas de corrosin, -Precipitan sales -Posibles formaciones de espumas -Descomposicin y envenenamiento de aminas por presencia de dioxgeno y otras sustancias qumicas

Mtodo de fregado o limpieza hmeda, donde se emplea agua como absorbente

-Requiere poca infraestructura, es de relativamente bajo costo y las prdidas de metano son bajas

-Propicia el atascamiento por el crecimiento bacterial -Formacin de espumas -Baja flexibilidad a las variaciones en el gas de entrada.


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Tabla 5. Mtodos de desulfuracin de biogs, caractersticas, ventajas y desventajas (continuacin de la tabla 4)

Mtodos Biotecnolgicos

Emplean microorganismos para remover la sustancia no deseada

-Alta eficiencia -Menor costo de inversin y operacin -Utilizan equipos sencillos y de bajo consumo de reactivos -No requieren de catalizadores qumicos -Evita formacin de contaminantes secundarios -Operan a moderadas temperaturas y condiciones ambientales -Alta especificidad por el sustrato a remover -No provoca prdidas en el poder calrico del combustible tratado

-Procedimiento lento -Necesario buscar nuevos microorganismos para reducir tiempos de residencia y hagan ms competitivo el proceso a escala industrial

Adsorcin por mtodos fsicos

Ocurre sobre la superficie del adsorbente, las molculas son retenidas por fuerzas electrostticas dbiles.

Los ms empleados: alminas, slicagel, carbn activado y tamices moleculares

Operacin simple y efectiva

-Proceso es altamente qumico intensivo -Costos de operacin son altos y pueden acumular una corriente continua de material de desecho peligroso agotado -Aplicacin limitada en pases en vas de desarrollo

Separacin por membranas

Polmeros orgnicos (Se emplean en reactores de membrana)

-Permeabilidades significativas -Poros muy regulares en

forma y tamao

-Muy frgiles -Poseen poros excesivamente pequeos -Son muy caras y se aplican a pequea escala

Cermicas (Se sintetizan por varios mtodos, pueden formar parte de membranas compuestas inorgnicas)

-Buen control de las dimensiones de poros -Alta resistencia a especies qumicas y productos corrosivos; -Alta resistencia mecnica a la presin -Posee mejores prestaciones y durabilidad

-Fcil fractura -Son muy caras, requieren altas inversiones iniciales o de reposicin

Vtreas a partir de los desechos de vidrio del tipo borosilicato

-Emplea un importante desecho pasivo ambiental -Ms econmica que las tradicionales

-Investigacin en desarrollo

CONCLUSIONES El empleo del biogs ofrece ventajas econmicas, sociales y medioambientales sobre el resto

de los combustibles no renovables.


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El tratamiento de biogs empleando membranas a partir de materiales vtreos de desecho deja de ser desconocido pudiendo convertirse en la tecnologa mas apropiada para pases en vas de desarrollo, aumentando su impacto social positivo y disminuyendo los impactos negativos econmicos y medioambientales, por la limpieza de esa fuente de energa y el empleo de un contaminante pasivo del ambiente.

El empleo del biogs como fuente de energa sustentable, requiere de su purificacin, la que estar en funcin del mtodo de desulfuracin seleccionado segn sus ventajas y desventajas.

RECONOCIMIENTO

Los autores desean agradecer la colaboracin del grupo de estudiantes de la Facultad de Ingeniera Qumica, que han apoyado el trabajo experimental para obtener los resultados que se exponen. Adems, agradecer a Arams y Yordanis, ingenieros del Centro de Investigaciones para la Industria Minero Metalrgica (CIPIMM), por su colaboracin en la preparacin de las muestras para la conformacin de las membranas.

REFERENCIAS Brcenas L. (2009). Obtencin de placas vtreas filtrantes bactericidas, Tesis de diploma,

Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra, Cujae, La Habana, Cuba. Benito J. (2004). Membranas cermicas. Tipos, mtodos de obtencin y caracterizacin,

Boletn de la Sociedad Espaola de Cermica y Vidrio, vol.43, no.5, pp. 829 842, Madrid, Espaa.

Coronas J. (2007). Membrana zeoltica, sntesis y usos, Patente WO 2007125150 A1, extrado de: http://www.google.com/patents/WO2007125150A1?cl=es en enero de 2014.

Fernndez E. (2004). Procedimiento para la purificacin de Biogs. Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (Cujae). Publicacin cu 23003 a1, Oficina de Propiedad Intelectual Cubana. Cuba, 18 p.

Gonzlez A. (2006). Estudio de la oxidacin biolgica de compuestos reducidos de azufre por un consorcio alcalfilo en un biorreactor, Tesis de doctorado en Ciencias Ingeniera Qumica, Universidad Autnoma Metropolitana, Divisin de Ciencias Bsicas e Ingeniera, Mxico DF, Mxico.

Horikawa M. (2004). Chemical Absorption of H2S for Biogas Purification. Brazilian Journal of Chemical Engineering, extrado de: http://www.scielo.br/pdf en febrero de 2013.

Judge M. (2014) Cules son los lmites mximos permisibles para el sulfuro de hidrgeno?, extrado de: http://www.ehowenespanol.com/cuales-son-limites-permisibles-del-sulfuro-hidrogeno-info_206112/ en mayo de 2014.

Morero B. y Campanella E.A. (2013). Simulacin del Proceso de Absorcin Qumica con Soluciones de Aminas para la Purificacin de Biogs, Informacin Tecnolgica, vol. 24, no.1, pp. 25-32, Santiago de Chile, Chile.

Rodrguez S. (2009). Alternativas de desulfuracin de efluentes gaseosos basadas en mtodos biotecnolgicos, Tesis de doctorado, Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (Cujae), Habana.

Varnero M., Car M., Galleguillos K. y Achondo P. (2012). Tecnologas disponibles para la purificacin de biogs usado en la generacin elctrica, Informacin Tecnolgica, vol.23, no.2, pp. 31 40, Santiago de Chile, Chile.

Vquez, J. (2010). Remocin del sulfuro de hidrgeno en el biogs, ECAG Informa, vol. 53, no.1, pp. 16 21, San Jos, Costa Rica.

INTRODUCCINRECONOCIMIENTO

principales métodos de desulfurización de biogás

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