Pirólisis

Piezas de madera quemadas, mostrando varias etapas de pirolisis seguidas de combustión oxidativa.

El proceso de pirólisis (o desvolatilización) es la descomposición térmica de materiales a temperaturas elevadas, a menudo en una atmósfera inerte. La temperatura puede entenderse como vibración térmica. A altas temperaturas, la vibración excesiva hace que las moléculas de cadena larga se rompan en moléculas más pequeñas. La palabra proviene de los elementos derivados del griego piro "fuego", "calor", "fiebre" y lisis "separación".

La pirólisis se usa más comúnmente en el tratamiento de materiales orgánicos. Es uno de los procesos involucrados en la carbonización de la madera. En general, la pirólisis de sustancias orgánicas produce productos volátiles y deja carbón, un residuo sólido rico en carbono. La pirólisis extrema, que deja principalmente carbono como residuo, se llama carbonización. La pirólisis se considera el primer paso en los procesos de gasificación o combustión.

El proceso se utiliza mucho en la industria química, por ejemplo, para producir etileno, muchas formas de carbono y otras sustancias químicas a partir del petróleo, el carbón e incluso la madera, o para producir coque a partir del carbón. Se utiliza también en la conversión de gas natural (principalmente metano) en gas de hidrógeno y carbón sólido, recientemente introducido a escala industrial. Las aplicaciones aspiracionales de la pirólisis convertirían la biomasa en gas de síntesis y biocarbón, los desechos plásticos en aceite utilizable o los desechos en sustancias desechables de manera segura.

Terminología

La pirólisis es uno de los diversos tipos de procesos de degradación química que se producen a temperaturas más altas (por encima del punto de ebullición del agua u otros disolventes). Se diferencia de otros procesos como la combustión y la hidrólisis en que normalmente no implica la adición de otros reactivos como oxígeno (O₂, en la combustión) o agua (en la hidrólisis). La pirólisis produce sólidos (char), líquidos condensables (aceites ligeros y pesados y alquitrán) y gases no condensables.

La pirólisis es diferente a la gasificación. En la industria de procesos químicos, la pirólisis se refiere a una degradación térmica parcial de materiales carbonosos que tiene lugar en una atmósfera inerte (sin oxígeno) y produce gases, líquidos y sólidos. La pirólisis se puede extender a la gasificación completa que produce principalmente una salida gaseosa, a menudo con la adición de, p. vapor de agua para gasificar los sólidos carbónicos residuales, véase reformado con vapor.

Tipos

Los tipos específicos de pirólisis incluyen:

• Carbonización, la pirolisis completa de la materia orgánica, que generalmente deja un residuo sólido que consiste principalmente en carbono elemental.
• Pirolisis de metano, conversión directa del metano al combustible de hidrógeno y carbono sólido separable, a veces utilizando catalizadores de metal fundido.
• Hidrous pyrolysis, en presencia de agua supercalentada o vapor, produciendo hidrógeno y dióxido de carbono atmosférico sustancial.
• Destilación seca, como en la producción original de ácido sulfúrico de sulfatos.
• Destilación destructiva, como en la fabricación de carbón, coca y carbono activado.
• Caramelización de azúcares.
• Procesos de cocción de alta temperatura como asado, freído, tostado y asado.
• Quema de carbón, producción de carbón vegetal.
• Producción de tar por destilación destructiva de madera en hornos de alquitrán.
• Cracking of heavier hydrocarbons into lighter ones, as in oil refining.
• Depolymerización térmica, que descompone plásticos y otros polímeros en monómeros y oligómeros.
• Ceramization involving the formation of polymer derived ceramics from preceramic polymers under an inert atmosphere.
• Catagenesis, la conversión natural de materia orgánica enterrada a combustibles fósiles.
• Pirolisis de vacío flash, utilizado en síntesis orgánica.

Procesos y mecanismos generales

Procesos en la degradación térmica de la materia orgánica a presión atmosférica.

La pirólisis generalmente consiste en calentar el material por encima de su temperatura de descomposición, rompiendo los enlaces químicos en sus moléculas. Los fragmentos suelen convertirse en moléculas más pequeñas, pero pueden combinarse para producir residuos con una masa molecular mayor, incluso sólidos covalentes amorfos.

En muchos entornos, pueden estar presentes algunas cantidades de oxígeno, agua u otras sustancias, de modo que pueden ocurrir combustión, hidrólisis u otros procesos químicos además de la pirólisis propiamente dicha. A veces, esos productos químicos se agregan intencionalmente, como en la quema de leña, en la fabricación tradicional de carbón vegetal y en el craqueo al vapor del petróleo crudo.

Por el contrario, el material de partida puede calentarse al vacío o en una atmósfera inerte para evitar reacciones químicas secundarias (como la combustión o la hidrólisis). La pirólisis al vacío también reduce el punto de ebullición de los subproductos, mejorando su recuperación.

Cuando la materia orgánica se calienta a temperaturas crecientes en recipientes abiertos, generalmente ocurren los siguientes procesos, en etapas sucesivas o superpuestas:

• Debajo de unos 100 °C, volatiles, incluyendo un poco de agua, se evaporan. Las sustancias sensibles al calor, como la vitamina C y las proteínas, pueden cambiar o descomponer parcialmente en esta etapa.
• A unos 100 °C o ligeramente superior, cualquier agua restante que sea meramente absorbida en el material es expulsada. Este proceso consume mucha energía, por lo que la temperatura puede dejar de subir hasta que todo el agua se haya evaporado. El agua atrapada en la estructura cristalina de los hidratos puede bajar a temperaturas algo más altas.
• Algunas sustancias sólidas, como grasas, ceras y azúcares, pueden fundirse y separarse.
• Entre 100 y 500 °C, muchas moléculas orgánicas comunes se descomponen. La mayoría de los azúcares comienzan a descomponerse a 160–180 °C. La celulosa, un componente importante de madera, papel y telas de algodón, se descompone a unos 350 °C. Lignin, otro componente importante de madera, comienza a descomponer a unos 350 °C, pero continúa liberando productos volátiles hasta 500 °C. Los productos de descomposición suelen incluir agua, monóxido de carbono CO o dióxido de carbono CO₂, así como un gran número de compuestos orgánicos. Los gases y los productos volátiles salen de la muestra, y algunos de ellos pueden condensarse de nuevo como humo. Generalmente, este proceso también absorbe energía. Algunas volatilas pueden encender y quemar, creando una llama visible. Los residuos no volátiles normalmente se vuelven más ricos en carbono y forman grandes moléculas desordenadas, con colores que oscilan entre marrón y negro. En este punto se dice que el asunto ha sido "carrado" o "carbonizado".
• A 200–300 °C, si el oxígeno no ha sido excluido, el residuo carbónico puede empezar a quemar, en una reacción altamente exotérmica, a menudo sin o poco llama visible. Una vez que se inicia la combustión de carbono, la temperatura aumenta espontáneamente, convirtiendo el residuo en una embaladora brillante y liberando dióxido de carbono y/o monóxido. En esta etapa, algunos de los nitrógenos que aún permanecen en el residuo pueden ser oxidados en óxidos de nitrógeno como NO2 y N2O3. El azufre y otros elementos como el cloro y el arsénico pueden oxidarse y volatilizarse en esta etapa.
• Una vez que la combustión del residuo de carbono es completa, a menudo se deja atrás un residuo de minerales en polvo o sólido, que consiste en materiales oxidados inorgánicos de alto punto de fusión. Algunas de las cenizas pueden haber salido durante la combustión, entrenadas por los gases como ceniza de mosca o emisiones de partículas. Los metales presentes en la materia original generalmente permanecen en la ceniza como óxidos o carbonatos, como la potasa. El fósforo, de materiales como el hueso, los fosfolípidos y los ácidos nucleicos, generalmente permanece como fosfatos.

Desafíos de seguridad

Debido a que la pirólisis se lleva a cabo a altas temperaturas que superan la temperatura de autoignición de los gases producidos, existe un riesgo de explosión si hay oxígeno presente. La pirólisis también produce varios gases tóxicos, principalmente monóxido de carbono. El mayor riesgo de incendio, explosión y liberación de gases tóxicos se produce cuando el sistema se inicia y se apaga, cuando funciona de forma intermitente o durante alteraciones operativas.

La purga de gas inerte es esencial para gestionar los riesgos de explosión inherentes. El procedimiento no es trivial y la falta de oxígeno ha provocado accidentes.

Ocurrencia y usos

Cocinar

Las cebollas caramelizadas son ligeramente pirolíticas.

Esta pizza está pirolyzed, casi completamente carbonizada.

La pirólisis tiene muchas aplicaciones en la preparación de alimentos. La caramelización es la pirólisis de los azúcares en los alimentos (a menudo después de que los azúcares hayan sido producidos por la descomposición de los polisacáridos). La comida se pone marrón y cambia de sabor. Los sabores distintivos se utilizan en muchos platos; por ejemplo, la cebolla caramelizada se usa en la sopa de cebolla francesa. Las temperaturas necesarias para la caramelización están por encima del punto de ebullición del agua. El aceite para freír puede subir fácilmente por encima del punto de ebullición. Poner una tapa en la sartén mantiene el agua adentro y parte de ella se vuelve a condensar, manteniendo la temperatura demasiado fría para dorarse por más tiempo.

La pirólisis de los alimentos también puede ser indeseable, como en la carbonización de los alimentos quemados (a temperaturas demasiado bajas para que la combustión oxidativa del carbono produzca llamas y queme los alimentos hasta convertirlos en cenizas).

Coque, carbón, carbón vegetal y carbón

El carbono y los materiales ricos en carbono tienen propiedades deseables pero no son volátiles, incluso a altas temperaturas. En consecuencia, la pirólisis se utiliza para producir muchos tipos de carbono; estos pueden usarse como combustible, como reactivos en la fabricación de acero (coque) y como materiales estructurales.

El carbón es un combustible menos humeante que la madera pirolizada. Algunas ciudades prohíben, o solían prohibir, los fuegos de leña; cuando los residentes solo usan carbón (y carbón de roca tratado de manera similar, llamado coque), la contaminación del aire se reduce significativamente. En ciudades donde la gente generalmente no cocina ni calienta con fuego, esto no es necesario. A mediados del siglo XX, "sin humo" la legislación en Europa exigía técnicas de combustión más limpias, como el combustible de coque y los incineradores que queman humo, como medida eficaz para reducir la contaminación del aire

La forja de un herrero, con una sopladora forzando aire a través de una cama de combustible para elevar la temperatura del fuego. En la periferia, el carbón es pirolyzed, absorbiendo calor; la coca en el centro es casi carbono puro, y libera mucho calor cuando el carbono oxida.

Productos orgánicos típicos obtenidos por pirolisis de carbón (X = CH, N).

La fabricación de coque o "coquización" El proceso consiste en calentar el material en "hornos de coquización" a temperaturas muy altas (hasta 900 °C o 1700 °F) para que las moléculas se descompongan en sustancias volátiles más ligeras, que salen del recipiente, y un residuo poroso pero duro que es principalmente carbón y cenizas inorgánicas. La cantidad de volátiles varía según el material de origen, pero normalmente es del 25 al 30% en peso. La pirólisis a alta temperatura se utiliza a escala industrial para convertir el carbón en coque. Esto es útil en la metalurgia, donde las temperaturas más altas son necesarias para muchos procesos, como la fabricación de acero. Los subproductos volátiles de este proceso también suelen ser útiles, incluidos el benceno y la piridina. El coque también se puede producir a partir de los residuos sólidos que quedan de la refinación del petróleo.

La estructura vascular original de la madera y los poros creados por los gases que escapan se combinan para producir un material ligero y poroso. Al comenzar con un material denso similar a la madera, como cáscaras de nuez o huesos de durazno, se obtiene una forma de carbón con poros particularmente finos (y, por lo tanto, un área de superficie de poros mucho más grande), llamado carbón activado, que se usa como adsorbente para un amplia gama de sustancias químicas.

El biocarbón es el residuo de la pirólisis orgánica incompleta, por ejemplo, de los fuegos para cocinar. Es un componente clave de los suelos de terra preta asociados con las antiguas comunidades indígenas de la cuenca del Amazonas. Terra preta es muy buscada por los agricultores locales por su fertilidad superior y capacidad para promover y retener un conjunto mejorado de microbiota beneficiosa, en comparación con el suelo rojo típico de la región. Se están realizando esfuerzos para recrear estos suelos a través de biocarbón, el residuo sólido de la pirólisis de varios materiales, en su mayoría desechos orgánicos.

Fibras de carbono producidas por pirolyzing un capullo de seda. Micrografo electrónico, barra de escala en la parte inferior izquierda muestra 100 μm.

Las fibras de carbono son filamentos de carbono que se pueden utilizar para fabricar hilos y textiles muy resistentes. Los artículos de fibra de carbono a menudo se producen hilando y tejiendo el artículo deseado a partir de fibras de un polímero adecuado y luego pirolizando el material a una temperatura alta (de 1500 a 3000 °C o 2730 a 5430 °F). Las primeras fibras de carbono estaban hechas de rayón, pero el poliacrilonitrilo se ha convertido en el material de partida más común. Para sus primeras lámparas eléctricas funcionales, Joseph Wilson Swan y Thomas Edison utilizaron filamentos de carbono hechos por pirólisis de hilos de algodón y astillas de bambú, respectivamente.

La pirólisis es la reacción utilizada para recubrir un sustrato preformado con una capa de carbón pirolítico. Esto normalmente se hace en un reactor de lecho fluidizado calentado a 1000–2000 °C o 1830–3630 °F. Los recubrimientos de carbón pirolítico se utilizan en muchas aplicaciones, incluidas las válvulas cardíacas artificiales.

Biocombustibles líquidos y gaseosos

La pirólisis es la base de varios métodos para producir combustible a partir de biomasa, es decir, biomasa lignocelulósica. Los cultivos estudiados como materia prima de biomasa para la pirólisis incluyen pastos de pradera nativos de América del Norte, como el pasto varilla, y versiones mejoradas de otros pastos, como Miscantheus giganteus. Otras fuentes de materia orgánica como materia prima para la pirólisis incluyen desechos verdes, aserrín, desechos de madera, hojas, vegetales, cáscaras de nueces, paja, desperdicios de algodón, cáscaras de arroz y cáscaras de naranja. También se están evaluando los desechos animales, incluidos los desechos de aves de corral, el estiércol de productos lácteos y potencialmente otros estiércol. Algunos subproductos industriales también son materia prima adecuada, incluidos los lodos de papel, los granos de destilería y los lodos de depuradora.

En los componentes de la biomasa, la pirólisis de la hemicelulosa ocurre entre 210 y 310 °C. La pirólisis de la celulosa comienza entre 300 y 315 °C y termina entre 360 y 380 °C, con un pico entre 342 y 354 °C. La lignina comienza a descomponerse alrededor de los 200 °C y continúa hasta los 1000 °C.

El combustible diesel sintético por pirólisis de materiales orgánicos aún no es económicamente competitivo. A veces se logra una mayor eficiencia mediante la pirólisis flash, en la que la materia prima finamente dividida se calienta rápidamente a entre 350 y 500 °C (660 y 930 °F) durante menos de dos segundos.

El gas de síntesis generalmente se produce por pirólisis.

La baja calidad de los aceites producidos a través de la pirólisis se puede mejorar mediante procesos físicos y químicos, lo que puede aumentar los costos de producción, pero puede tener sentido desde el punto de vista económico a medida que cambien las circunstancias.

También existe la posibilidad de integrarse con otros procesos como el tratamiento biológico mecánico y la digestión anaerobia. La pirólisis rápida también se investiga para la conversión de biomasa. El bioaceite combustible también se puede producir por pirólisis hidratada.

Pirólisis de metano para hidrógeno

Ilustración de insumos y salidas de pirolisis de metano, un proceso eficiente de un solo paso para producir hidrógeno y ningún gas de efecto invernadero

La pirólisis de metano es un proceso industrial para la "turquesa" producción de hidrógeno a partir de metano mediante la eliminación de carbono sólido del gas natural. Este proceso de un solo paso produce hidrógeno en gran volumen a bajo costo (menos que el reformado con vapor con secuestro de carbono). No se libera ningún gas de efecto invernadero. No se necesita una inyección profunda de dióxido de carbono. Solo se libera agua cuando se utiliza hidrógeno como combustible para el transporte de camiones pesados eléctricos con celdas de combustible, generación de energía eléctrica con turbinas de gas e hidrógeno para procesos industriales, incluida la producción de cemento y fertilizantes amoniacales. La pirólisis de metano es el proceso que opera alrededor de 1065 °C para producir hidrógeno a partir de gas natural que permite eliminar fácilmente el carbono (el carbono sólido es un subproducto del proceso). El carbono sólido de calidad industrial se puede vender o depositar en vertederos y no se libera a la atmósfera, lo que evita la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) o la contaminación de las aguas subterráneas de un vertedero. En 2015, una empresa llamada Monolith Materials construyó una planta piloto en Redwood City, CA, para estudiar cómo escalar la pirólisis de metano utilizando energía renovable en el proceso. Luego, un proyecto piloto exitoso condujo a una planta de demostración a escala comercial más grande en Hallam, Nebraska, en 2016. A partir de 2020, esta planta está operativa y puede producir alrededor de 14 toneladas métricas de hidrógeno por día. En 2021, el Departamento de Energía de EE. UU. respaldó los planes de Monolith Materials para una gran expansión con una garantía de préstamo de mil millones de dólares. La financiación ayudará a producir una planta capaz de generar 164 toneladas métricas de hidrógeno por día para 2024. Se están realizando proyectos piloto con empresas de servicios públicos de gas y plantas de biogás con empresas como Modern Electron. La producción en volumen también se está evaluando en la "pirólisis de metano a escala" de BASF; planta piloto, el equipo de ingeniería química de la Universidad de California - Santa Bárbara y en laboratorios de investigación como el Laboratorio de metal líquido de Karlsruhe (KALLA). La energía para el calor de proceso consumido es solo una séptima parte de la energía consumida en el método de electrólisis del agua para producir hidrógeno.

Una empresa australiana Hazer Group fue fundada en 2010 para comercializar tecnología desarrollada originalmente en la Universidad de Australia Occidental. La empresa cotizó en ASX en diciembre de 2015. Está completando un proyecto de demostración comercial para producir hidrógeno renovable y grafito a partir de aguas residuales y mineral de hierro como tecnología de uso de catalizadores de procesos creada por la Universidad de Australia Occidental (UWA).

El proyecto de la planta de demostración comercial es el primero en Australia y se espera que produzca alrededor de 100 toneladas de hidrógeno apto para combustible y 380 toneladas de grafito cada año a partir de 2023. Estaba programado para comenzar en 2022. "10 DE DICIEMBRE 2021: Hazer Group (ASX: HZR) lamenta informar que ha habido un retraso en la finalización de la fabricación del reactor para el Proyecto de demostración comercial (CDP) de Hazer. Se espera que esto retrase la puesta en marcha planificada de Hazer CDP, y ahora se espera que la puesta en marcha se produzca después de nuestra fecha objetivo actual del primer trimestre de 2022."

Hazer Groups tiene acuerdos de colaboración con ENGIE para instalaciones en Francia en mayo de 2023, un memorando de entendimiento con Chubu Electric & Chiyoda en Japón abril de 2023 y un acuerdo con Suncor Energy y FortisBC para desarrollar 2.500 toneladas anuales de la planta de producción de hidrógeno Burrard-Hazer en Canadá abril de 2022

La tecnología de otra empresa estadounidense, C-Zero, convierte el gas natural en hidrógeno y carbono sólido. El hidrógeno proporciona energía limpia y de bajo costo bajo demanda, mientras que el carbono puede ser secuestrado permanentemente. Anunció en junio de 2022 que cerró una ronda de financiamiento de $34 millones de dólares liderada por SK Gas, una subsidiaria del segundo conglomerado más grande de Corea del Sur, el Grupo SK. A SK Gas se unieron otros dos nuevos inversores: Engie New Ventures y Trafigura, una de las empresas de comercio de materias primas físicas más grandes del mundo, además de la participación de todos los inversores existentes, incluidos Breakthrough Energy Ventures, Eni Next, Mitsubishi Heavy Industries y AP Ventures. El financiamiento fue para la primera planta piloto de C-Zero, que se esperaba que estuviera en línea en el primer trimestre de 2023. La planta puede ser capaz de producir hasta 400 kg de hidrógeno por día a partir de gas natural sin emisiones de CO2. No se pueden encontrar noticias de inicio en este punto en mayo de 2023.

Una de las empresas químicas más grandes del mundo B.A.S.F. ha estado investigando la pirólisis de hidrógeno durante más de 10 años. El Dr. Andreas Bode, gerente del programa Carbon Management R&D Program tiene años de experiencia en el campo

Etileno

La pirólisis se utiliza para producir etileno, el compuesto químico producido a mayor escala industrialmente (>110 millones de toneladas/año en 2005). En este proceso, los hidrocarburos del petróleo se calientan a unos 600 °C (1112 °F) en presencia de vapor; esto se llama craqueo al vapor. El etileno resultante se usa para hacer anticongelante (etilenglicol), PVC (a través de cloruro de vinilo) y muchos otros polímeros, como polietileno y poliestireno.

Semiconductores

Ilustración del proceso de epitaxia de la fase de vapor metálica, que implica pirolisis de volatiles

El proceso de epitaxia en fase de vapor metalorgánico (MOCVD) implica la pirólisis de compuestos organometálicos volátiles para producir semiconductores, recubrimientos duros y otros materiales aplicables. Las reacciones implican la degradación térmica de los precursores, con deposición del componente inorgánico y liberación de los hidrocarburos como residuos gaseosos. Dado que es una deposición átomo por átomo, estos átomos se organizan en cristales para formar el semiconductor a granel. El silicio policristalino en bruto se produce mediante la deposición química de vapor de gases de silano:

SiH₄ → Si + 2 H₂.

El arseniuro de galio, otro semiconductor, se forma tras la copirolisis de trimetilgalio y arsina.

Gestión de residuos

La pirólisis también se puede utilizar para tratar residuos sólidos urbanos y residuos plásticos. La principal ventaja es la reducción del volumen de los residuos. En principio, la pirólisis regenerará los monómeros (precursores) de los polímeros que se tratan, pero en la práctica el proceso no es una fuente de monómeros limpia ni económicamente competitiva.

En la gestión de residuos de neumáticos, la pirólisis de neumáticos es una tecnología bien desarrollada. Otros productos de la pirólisis de neumáticos de automóviles incluyen alambres de acero, negro de humo y betún. El área enfrenta obstáculos legislativos, económicos y de mercadeo. El aceite derivado de la pirólisis del caucho de los neumáticos tiene un alto contenido de azufre, lo que le otorga un alto potencial como contaminante; en consecuencia, debe ser desulfurado.

La pirólisis alcalina de lodos de depuradora a una temperatura baja de 500 °C puede mejorar la producción de H₂ con la captura de carbono in situ. El uso de NaOH (hidróxido de sodio) tiene el potencial de producir gas rico en H₂ que puede usarse directamente para pilas de combustible.

A principios de noviembre de 2021, el estado estadounidense de Georgia anunció un esfuerzo conjunto con Igneo Technologies para construir una gran planta de reciclaje de productos electrónicos de $85 millones en el puerto de Savannah. El proyecto se centrará en dispositivos pesados de plástico de menor valor en el flujo de desechos utilizando múltiples trituradoras y hornos que utilizan tecnología de pirólisis.

Pirólisis de un solo paso y pirólisis de dos pasos para residuos de tabaco

La pirólisis también se ha utilizado para tratar de mitigar el desperdicio de tabaco. Se realizó un método en el que los desechos de tabaco se separaron en dos categorías: TLW (residuos de hojas de tabaco) y TSW (residuos de palitos de tabaco). Se determinó que TLW era cualquier desecho de cigarrillos y TSW era cualquier desecho de cigarrillos electrónicos. Tanto TLW como TSW se secaron a 80 °C durante 24 horas y se almacenaron en un desecador. Las muestras se molieron para que los contenidos fueran uniformes. Los residuos de tabaco (TW) también contienen contenido inorgánico (metal), que se determinó utilizando un espectrómetro óptico de plasma acoplado inductivamente. Se utilizó un análisis termogravimétrico para degradar térmicamente cuatro muestras (TLW, TSW, glicerol y goma guar) y se controló en condiciones de temperatura dinámicas específicas. Se usó aproximadamente un gramo de TLW y TSW en las pruebas de pirólisis. Durante estas pruebas de análisis, se utilizaron CO₂ y N₂ como atmósferas en el interior de un reactor tubular construido con tubos de cuarzo. Tanto para atmósferas de CO2 como de N₂, el caudal fue de 100 mL min⁻¹. El calentamiento externo se creó a través de un horno tubular. Los productos pirogénicos se clasificaron en tres fases. La primera fase fue biocarbón, un residuo sólido producido por el reactor a 650 °C. Los hidrocarburos líquidos de la segunda fase se recogieron mediante una trampa de disolventes fría y se clasificaron mediante cromatografía. La tercera y última fase se analizó usando una unidad micro GC en línea y esos pirolizados eran gases.

Se realizaron dos tipos diferentes de experimentos: pirólisis de un paso y pirólisis de dos pasos. La pirólisis de un solo paso consistió en una velocidad de calentamiento constante (10 °C min⁻¹) de 30 a 720 °C. En el segundo paso de la prueba de pirólisis de dos pasos, los pirolizados de la pirólisis de un paso se pirolizaron en la segunda zona de calentamiento que se controló isotérmicamente a 650 °C. La pirólisis de dos pasos se utilizó para centrarse principalmente en qué tan bien afecta el CO₂ a la redistribución de carbono cuando se agrega calor a través de la segunda zona de calentamiento.

Lo primero que se notó fue el comportamiento termolítico de TLW y TSW en los entornos de CO₂ y N₂. Tanto para TLW como para TSW, los comportamientos termolíticos fueron idénticos a menos o igual a 660 °C en los ambientes de CO₂ y N₂. Las diferencias entre los ambientes comienzan a ocurrir cuando las temperaturas aumentan por encima de los 660 °C y los porcentajes de masa residual disminuyen significativamente en el ambiente CO₂ en comparación con el ambiente N₂. Esta observación probablemente se deba a la reacción de Boudouard, donde vemos que ocurre una gasificación espontánea cuando las temperaturas superan los 710 °C. Aunque estas observaciones se observaron a temperaturas inferiores a 710 °C, lo más probable es que se deban a las capacidades catalíticas de los compuestos inorgánicos en TLW. Se investigó más a fondo haciendo mediciones ICP-OES y se encontró que una quinta parte del porcentaje de masa residual era especies de Ca. El CaCO₃ se usa en papeles de cigarrillos y material de filtro, lo que lleva a la explicación de que la degradación del CaCO3 hace que el CO₂ puro reaccione con el CaO en un estado de equilibrio dinámico. Esta es la razón por la que se observa una disminución de la masa entre 660 °C y 710 °C. Las diferencias en los picos del termograma diferencial (DTG) para TLW se compararon con TSW. TLW tuvo cuatro picos distintivos a 87, 195, 265 y 306 °C, mientras que TSW tuvo dos caídas importantes a 200 y 306 °C con un pico en el medio. Los cuatro picos indicaron que TLW contiene tipos de aditivos más diversos que TSW. El porcentaje de masa residual entre TLW y TSW se comparó aún más, donde la masa residual en TSW fue menor que la de TLW para ambientes de CO₂ y N₂, concluyendo que TSW tiene mayores cantidades de aditivos que TLW.

Producción de Hidrogen, Metano y Tars al crear Biochar

El experimento de pirólisis de un paso mostró resultados diferentes para los entornos CO₂ y N₂. Durante este proceso se observó la evolución de 5 gases destacables diferentes. Hidrógeno, metano, etano, dióxido de carbono y etileno se producen cuando la tasa termolítica de TLW comenzó a retrasarse a una temperatura mayor o igual a 500 °C. La tasa termolítica comienza a las mismas temperaturas para el ambiente de CO₂ y N₂ pero hay una mayor concentración de producción de hidrógeno, etano, etileno y metano en el N ambiente ₂ que en el ambiente CO₂. La concentración de CO en el entorno de CO₂ es significativamente mayor a medida que las temperaturas superan los 600 °C y esto se debe a que el CO₂ se libera del CaCO₃ en TLW. Este aumento significativo en la concentración de CO es la razón por la que se producen concentraciones más bajas de otros gases en el ambiente de CO₂ debido a un efecto de dilución. Dado que la pirólisis es la redistribución de carbonos en sustratos de carbono en tres productos pirogénicos. El entorno de CO₂ va a ser más efectivo porque la reducción de CO₂ a CO permite la oxidación de los pirolizados para formar CO. En conclusión, el CO₂ambiente permite una mayor producción de gases que el petróleo y el biocarbón. Cuando se realiza el mismo proceso para TSW, las tendencias son casi idénticas, por lo que se pueden aplicar las mismas explicaciones a la pirólisis de TSW.

Se redujeron los productos químicos nocivos en el entorno de CO₂ debido a la formación de CO que provocó la reducción del alquitrán. La pirólisis de un solo paso no fue tan eficaz en la activación del CO₂ en el reordenamiento del carbono debido a las altas cantidades de pirolizados líquidos (alquitrán). La pirólisis en dos pasos para el entorno de CO₂ permitió mayores concentraciones de gases debido a la segunda zona de calentamiento. La segunda zona de calentamiento estaba a una temperatura constante de 650 °C isotérmicamente. Más reacciones entre el CO₂ y los pirolizados gaseosos con un tiempo de residencia más largo significaron que el CO₂ podría convertir aún más los pirolizados en CO. Los resultados mostraron que la pirólisis en dos pasos era una forma efectiva para disminuir el contenido de alquitrán y aumentar la concentración de gas en aproximadamente un 10% en peso tanto para TLW (64,20% en peso) como para TSW (73,71%).

Limpieza térmica

La pirólisis también se utiliza para la limpieza térmica, una aplicación industrial para eliminar sustancias orgánicas como polímeros, plásticos y revestimientos de piezas, productos o componentes de producción como tornillos extrusores, hileras y mezcladores estáticos. Durante el proceso de limpieza térmica, a temperaturas de 310 a 540 °C (600 a 1000 °F), el material orgánico se convierte por pirólisis y oxidación en compuestos orgánicos volátiles, hidrocarburos y gas carbonizado. Los elementos inorgánicos permanecen.

Varios tipos de sistemas de limpieza térmica utilizan pirólisis:

• Baños de sal fundido pertenecen a los sistemas de limpieza térmica más antiguos; la limpieza con un baño de sal fundido es muy rápida, pero implica el riesgo de estantes peligrosos, u otros peligros potenciales relacionados con el uso de baños de sal, como explosiones o gas cianuro de hidrógeno altamente tóxico.
• Sistemas de camas fluidizados use arena o óxido de aluminio como medio de calefacción; estos sistemas también limpian muy rápido pero el medio no se funde o hierve, ni emiten vapores o olores; el proceso de limpieza tarda de una a dos horas.
• Vacuno utilizar pirolisis en un vacío evitando la combustión incontrolada dentro de la cámara de limpieza; el proceso de limpieza tarda de 8 a 30 horas.
• Burn-Off Ovens, también conocido como Hornos de liberación de calor, son quemados a gas y utilizados en la pintura, recubrimientos, motores eléctricos y industrias de plástico para la eliminación de los orgánicos de piezas metálicas pesadas y grandes.

Síntesis química fina

La pirólisis se usa en la producción de compuestos químicos, principalmente, pero no solo, en el laboratorio de investigación.

El área de clusters de hidruro de boro comenzó con el estudio de la pirólisis de diborano (B₂H₆) a ca. 200 °C. Los productos incluyen los grupos pentaborane y decaborane. Estas pirólisis implican no solo el craqueo (para dar H₂), sino también la recondensación.

La síntesis de nanopartículas, zirconio y óxidos utilizando una boquilla ultrasónica en un proceso denominado pirólisis por pulverización ultrasónica (USP).

Otros usos y ocurrencias

• La pirolisis se utiliza para convertir los materiales orgánicos en carbono con fines de datación de carbono-14.
• La pirolisis de tabaco, papel y aditivos, en cigarrillos y otros productos, genera muchos productos volátiles (incluidos la nicotina, el monóxido de carbono y el alquitrán) responsables del aroma y los efectos negativos de la salud del tabaquismo. Se aplican consideraciones similares al tabaquismo de marihuana y la quema de productos inciensos y bobinas de mosquitos.
• La pirolisis ocurre durante la incineración de la basura, potencialmente generando volatiles que son tóxicos o contribuyen a la contaminación atmosférica si no se quema completamente.
• El laboratorio o el equipo industrial a veces se ve frustrado por residuos carbonáceos que resultan de la cocción, la pirolisis de productos orgánicos que entran en contacto con superficies calientes.

Generación de HAP

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) se pueden generar a partir de la pirólisis de diferentes fracciones de residuos sólidos, como hemicelulosa, celulosa, lignina, pectina, almidón, polietileno (PE), poliestireno (PS), policloruro de vinilo (PVC) y tereftalato de polietileno (PET). PS, PVC y lignina generan una cantidad significativa de HAP. El naftaleno es el PAH más abundante entre todos los hidrocarburos aromáticos policíclicos.

Cuando la temperatura aumenta de 500 a 900 °C, la mayoría de los PAH aumentan. Con el aumento de la temperatura, el porcentaje de PAH ligeros disminuye y el porcentaje de PAH pesados aumenta.

Herramientas de estudio

Análisis termogravimétrico

El análisis termogravimétrico (TGA) es una de las técnicas más comunes para investigar la pirólisis sin limitaciones de transferencia de calor y masa. Los resultados se pueden utilizar para determinar la cinética de pérdida de masa. Las energías de activación se pueden calcular utilizando el método de Kissinger o el método de análisis de picos de mínimos cuadrados (PA-LSM).

TGA puede combinarse con la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y la espectrometría de masas. A medida que aumenta la temperatura, se pueden medir los volátiles generados por la pirólisis.

Macro-TGA

En TGA, la muestra se carga primero antes del aumento de temperatura y la velocidad de calentamiento es baja (menos de 100 °C min⁻¹). Macro-TGA puede usar muestras a escala de gramos, que pueden usarse para investigar la pirólisis con efectos de transferencia de masa y calor.

Pirólisis-cromatografía de gases-espectrometría de masas

La espectrometría de masas de pirólisis (Py-GC-MS) es un procedimiento de laboratorio importante para determinar la estructura de los compuestos.

Aprendizaje automático

En los últimos años, el aprendizaje automático ha atraído un gran interés de investigación en la predicción de rendimientos, la optimización de parámetros y la supervisión de procesos pirolíticos.

Historia

Carbono de roble

La pirólisis se ha utilizado para convertir la madera en carbón desde la antigüedad. Los antiguos egipcios usaban metanol, que obtenían de la pirólisis de la madera, en su proceso de embalsamamiento. La destilación seca de madera siguió siendo la principal fuente de metanol hasta principios del siglo XX.

La pirólisis fue fundamental en el descubrimiento de muchas sustancias químicas, como el fósforo del hidrógeno fosfato de sodio y amonio NH₄NaHPO ₄ en orina concentrada, oxígeno de óxido de mercurio y varios nitratos.