New generation adsorbents for gas separation

Teniendo en cuenta el rapido aumento de la poblacion y el crecimiento en el consumo de energia como consecuencia de grandes progresos en transporte y tecnologia, el desarrollo sostenible es de especial relevancia pues sugiere la busqueda de formas de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, incluyendo la captura y almacenamiento de carbono (o utilizacion), la eficiencia energetica, fuentes alternativas de energia y ahorro de energia, como ya se ha sugerido por el protocolo de Kioto y los informes del IPCC. De ahi que en los ultimos anos se haya dedicado un esfuerzo considerable a desarrollar tecnologias para la captura y almacenamiento de CO2 a partir de fuentes concentradas de emision. Ademas de establecer nuevas tecnologias, durante las ultimas decadas la ciencia de materiales solidos porosos se ha convertido en una de las areas mas intensas de investigacion y desarrollo para quimicos, fisicos y cientificos de materiales. De hecho, se ha avanzado considerablemente en el desarrollo de nuevos adsorbentes para diversos procesos de separacion. Por ejemplo, las estructuras organo-metalicas (MOFs) han ido ganando considerable atencion como materiales prometedores para aplicaciones de almacenamiento y separacion de gases, debido a sus propiedades excepcionales. Sin embargo, es necesaria una comprension a nivel molecular de la adsorcion de gases para acelerar el diseno y desarrollo de aplicaciones a la carta. Tambien es fundamental conocer el comportamiento bajo condiciones de humedad e impurezas, como se tiene normalmente en aplicaciones industriales especificas. El trabajo desarrollado en esta Tesis Doctoral destaca el uso de tecnicas de simulacion molecular para la optimizacion de procesos relacionados con el medio ambiente. El objetivo general se centra en avanzar en el campo de materiales para la captura y separacion de dioxido de carbono a condiciones de proceso. Se considera de manera explicita la influencia del vapor de agua e impurezas, tanto a la luz de los fundamentos de la adsorcion como en la aplicacion para la captura de CO2 por post-combustion mediante ciclos de adsorcion por oscilacion. Partiendo de una breve descripcion de los fundamentos de la adsorcion y de las simulaciones moleculares, se presenta una revision exhaustiva de estudios recientes de materiales para captura y separacion de CO2, proporcionando asi informacion valiosa para su aplicacion industrial. Basados en esta revision, se han estudiado en detalle algunos de los materiales mas prometedores para un proceso de adsorcion por cambio de temperatura (TSA) basado en simulaciones moleculares, proponiendose un nuevo procedimiento para la evaluacion y optimizacion de los sistemas de captura en condiciones reales. Dada la gran influencia de trazas de agua en la separacion, se investiga tambien el CuBTC (uno de los MOF mas estudiados y estables en agua) en comparacion con la zeolita de referencia 13X. Se examina en detalle el efecto de las especies coexistentes, asi como la influencia del agua y SO2 en los gases de combustion, con el fin de llegar a una mejor comprension de la capacidad de adsorcion, la selectividad, la localizacion de las moleculas en el material, las distribuciones de calor isosterico y su relacion con el proceso. Asimismo, se han llevado a cabo estudios parametricos detallados para una investigacion comparativa de la separacion de mezclas multi-componentes de gases de combustion mediante el uso de otras zeolitas como caolinita y chabacita. Y finalmente, se presenta un trabajo adicional relacionado con otro problema medioambiental: la separacion de un contaminante (ibuprofeno) en agua, mediante el uso de carbones activados, usando las mismas tecnicas computacionales, demostrando asi la versatilidad de las herramientas empleadas para este tipo de sistemas