El proyecto europeo LIFE ABATE (LIFE22-ENV-ES-LIFE-ABATE/101113838) tiene como objetivo reducir significativamente las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) y el impacto por olor, los requerimientos de energía (ahorro de gas natural y electricidad) y los costes de explotación de las plantas de tratamiento de residuos mecánico-biológicas (TMB).
El proyecto LIFE ABATE propone dos soluciones basadas en concentradores rotativos de zeolitas: una con oxidación térmica y otra con tratamiento biológico en biofiltros. El CO₂ generado será reutilizado en invernaderos, y la selección de zeolitas requiere caracterización del aire mediante TD-GC-MS.
G. Sánchez a*, J. C. Fernández a, J. Hereza a, E. Regidor b,c, R. Muñoz b,c, A. González d, M. Gil d, O. Prado e, R. Montes e, M. Macarulla f, S. Gasso f y R. Lebrero b,c
a Àrea Metropolitana de Barcelona, Barcelona, Spain
b Institute of Sustainable Processes, University of Valladolid, Spain
c Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, University of Valladolid, Spain
d Kalfrisa Energía y Medio Ambiente, Zaragoza, Spain
e Aeris Tecnologías Ambientales S.L., Barcelona, Spain
f Research Institute for Sustainability Science and Technology, Technical University of Catalonia, Spain
g FCC Medio Ambiente, Madrid, Spain
* ssantos@amb.cat . Dirección postal: C. 62 núm. 16-18, Barcelona 08040. Phone number: +34 935069545
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
Calidad del contenido: Este artículo científico no ha sido revisado por pares.
Citación: G. Sánchez, J. C. Fernández, J. Hereza, E. Regidor, R. Muñoz, A. González, M. Gil, O. Prado, R. Montes, M. Macarulla, S. Gasso, R. Lebrero, 2024, Tecnologías compactas comercializables de alto rendimiento para la reducción de COV en plantas de tratamiento de residuos de la UE, disminuyendo las emisiones de CO2 y el consumo de energía- LIFE ABATE (LIFE22-ENV-ES-LIFE-ABATE/101113838), ODORA24 Conference, Barakaldo, Spain, www.olores.org.
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ISBN: pendiente
Palabras clave: rotoconcentrador de zeolitas, COV, TD-GC-EM.
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Resumen
El proyecto europeo LIFE ABATE (LIFE22-ENV-ES-LIFE-ABATE/101113838) tiene como objetivo reducir significativamente las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) y el impacto por olor, los requerimientos de energía (ahorro de gas natural y electricidad) y los costes de explotación de las plantas de tratamiento de residuos mecánico-biológicas (TMB). Para conseguirlo, se proponen dos soluciones: la primera consiste en la pre-concentración de flujos de aire con concentraciones bajas de COV (como es el caso de las naves de pretratamiento) mediante zeolitas dispuestas en un rotoconcentrador seguido de una oxidación térmica (OT); y la segunda, la pre-concentración de flujos de aire con concentraciones bajas de COV también en zeolitas dispuestas en un rotoconcentrador, pero en este caso con una entrada de los COV concentrados a un tratamiento biológico en un biotrickling de dos fases (acuosa/ oleosa). El rotoconcentrador de zeolitas (RC) es una tecnología selectiva que se aplica para depurar y concentrar emisiones de COV muy concretos, por lo que esta será la primera aplicación en la gestión de emisiones gaseosas residuales que presentan un amplio espectro de COV. El piloto demostrativo tratará 20.000 m3/h de aire real de una planta de gestión de residuos. Para completar el ciclo, el CO2 generado en el proceso de tratamiento de COV se valorizará en un invernadero para favorecer el crecimiento de los cultivos, evitando que éste sea emitido a la atmósfera. Para la selección de las zeolitas es necesario realizar una caracterización exhaustiva de la composición del aire a tratar. La metodología de captación de muestra se realiza mediante un soporte multicapa de carbón activo con diferente tamaño de poro para mejorar la especificidad de adsorción a determinados compuestos químicos y el método de análisis es una desorción térmica acoplada a cromatografía de gases y detección por espectrometría de masas (TD-GC-EM).
1. Introducción
En el año 2017 operaban en la UE 570 plantas de tratamiento mecánico biológico (TMB). Se espera que para el año 2025 este número de instalaciones se incremente hasta 690, con una emisión total de 3.900.000 t/año de compuestos orgánicos volátiles distintos del metano, NMCOV. Además, en el sector de la gestión de residuos en 2020 se emitieron 2.926.000 toneladas of CO2. Actualmente, el tratamiento de los COV en las plantas TMB se realiza o bien mediante un sistema de biofiltración o bien mediante una oxidación térmica (OT), que requiere de mucha superficie y alto consumo energético en el primer caso, al moverse caudales de aire elevados, y de altos costes energéticos en el caso de la OT. Esto implica una alta huella de carbono.
La solución técnica LIFE ABATE se validará a escala industrial en el Ecoparc de Sant Adrià (Barcelona) durante un año y se replicará en la planta de gestión de materia orgánica de Las Dehesas (Madrid) (Fig. 1). La tecnología propuesta en el proyecto consiste, por un lado, la pre-concentración de altos flujos de aire con concentraciones bajas de COV (como es el caso de las naves de pretratamiento) mediante zeolitas dispuestas en un rotoconcentrador seguido de una oxidación térmica (OT); y por otro lado, la pre-concentración de altos flujos de aire con concentraciones bajas de COV también en zeolitas dispuestas en un rotoconcentrador, pero en este caso, con una entrada de los COV concentrados a un tratamiento biológico tipo biotrickling de dos fases (acuosa/oleosa); la fase oleosa permite mejorar el transporte de los COV hidrofóbicos a la fase acuosa.
Esta solución se puede implementar en otras instalaciones de TMB de la UE y en otros sectores industriales.
En este estudio se presentan los resultados preliminares de las caracterizaciones del aire a tratar en el Ecoparc de Sant Adrià (Barcelona) y la selección específica de las zeolitas, que se ha llevado a cabo para el espectro de COV característico del tratamiento de residuos.
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| Fig. 1. Esquema del piloto Life ABATE en Ecoparc 3 (Sant Adrià-Barcelona). |
2. Resultados
2.1 Caracterización del aire de la nave de pretratamiento instalación TMB
La caracterización de las concentraciones de COV se ha realizado en la nave de pretratamiento del Ecoparc 3, situada en Sant Adrià del Besòs, Barcelona, por el Laboratori del Centre de Medi Ambient (LCMA, Departamento de Ingeniería Química, Universitat Politècnica de Catalunya). Esta instalación trata la materia orgánica de la fracción resto (contendor gris). El muestreo se realizó al mediodía, ya que se esperaba que coincidiera con la mayor carga nominal de olores. Se hicieron dos muestreos, el primero el día 9 de enero y el segundo el 17 de enero de 2024. La captura de COV se realizó mediante muestreo dinámico de aire con la utilización de tubos adsorbentes sólidos multicapa (Carbotrap (malla 20/40, 70 mg), Carbopack X (malla 40/60, 100 mg) y Carboxen 569 (malla 20/45, 90 mg), empleando bombas de muestreo equipadas con control de flujo y volumen total según las especificaciones técnicas establecidas en la NTP-23 por el Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo (INSST). El caudal de muestreo fue de aproximadamente 100 ml/min utilizando la bomba de captación AIRCHEK 2000 SKC.
La técnica de análisis instrumental utilizada fue la desorción térmica acoplada con cromatografía de gases equipada con detección por espectrometría de masas (TD-GC/MS). El desarrollo, validación y aplicación del método analítico se realizó siguiendo las normas generales de calidad ISO 9002:2000 y normas nacionales específicas: UNE-EN ISO 16017-1 (2001).
La identificación cualitativa de los compuestos se realizó comparando sus espectros de masas con los disponibles en la Biblioteca de Espectros de Masas NIST Versión 2.0g, diciembre de 2012 (Biblioteca de Espectros de Masas NIST/EPA/NIH).
Del análisis cualitativo de las muestras se han identificado 115 compuestos. Los niveles de concentración determinados para las familias de compuestos químicos y para TVOC (compuestos orgánicos volátiles totales: suma de todos los compuestos cuantificados individualmente) se presentan en la Fig. 2.
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| Fig. 2. Niveles de concentración (mg/m3) por familias químicas de COV en la nave de pretratamiento de Ecoparc 3 (Barcelona). |
Las concentraciones de TCOV del día 9/1/2024 presentan un valor medio de 34 ± 2 mg/m3 (33-35 mg/m3). Por otro lado, el día 17/1/2024 las concentraciones medias de TCOV fueron superiores, presentando un valor de 155 ± 2 mg/m3 (153-156 mg/m3). Esto podría deberse a diferencias derivadas de la operación de la planta.
A pesar de que las concentraciones de COV obtenidas son diferentes durante los días de muestreo, las familias químicas que más contribuyen al TCOV son las mismas, con gran influencia de los alcoholes (68-72%) y los terpenos (14-19%).
A partir de las concentraciones de los COV evaluados, utilizando sus respectivos umbrales de olor, se calculan las unidades de olor para cada compuesto químico individual.
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| Fig. 3. Contribución de las diferentes familias químicas de COV a las unidades de olor de la nave de pretratamiento del Ecoparc 3 (Barcelona) |
En el caso de las muestras del día 9/1/2024, son los aldehídos, los ésteres y los ácidos carboxílicos (principalmente, los compuestos acetaldehído, etilbutirato y ácido butanoico) los que más contribuyen a las unidades de olor. Se ha de tener en cuenta que estos tres compuestos presentan un umbral de olor muy bajo de 2.7, 0.02 y 0.35 µg/m3, respectivamente. Relativo a la muestra del día 17/1/2024, son principalmente los ésteres (etilbutirato) y los aldehídos (acetaldehído) los que más contribuyen a las unidades de olor.
2.2 Selección de zeolitas para el rotoconcentrador
El proceso de adsorción/desorción de COV basado en zeolitas ya se ha aplicado a escala industrial en otros sectores industriales como líneas de pintado en automoción, rotoimpresión, etc. (actual TRL9), aunque nunca se ha implementado en una planta TMB para la gestión de residuos. LIFE ABATE mostrará la aplicación pionera de procesos de adsorción/desorción de COV basados en zeolita, lo que marcará la primera implementación en el sector de residuos.
En el caso particular de un rotoconcentrador a base de zeolitas, la matriz del rotor es un material compuesto (o composite) inorgánico inerte y estable, no inflamable. Permite el uso de altas temperaturas para la desorción de compuestos de alto punto de ebullición y elimina los riesgos de seguridad asociados con los adsorbentes de carbono.
Las zeolitas, minerales microporosos con una estructura y composición química únicas, tienen propiedades excepcionales. Pertenecen al grupo de los aluminosilicatos (tectosilicatos) y están compuestos, principalmente, por tetraedros de silicio y aluminio unidos por oxígeno, formando una estructura cristalina tridimensional con una red de canales y cavidades regulares. La fórmula genérica de estos minerales es Mx/n [(Al₂O₃)x (SiO₂)y]·mH₂O, donde “n” es el número de valencia del ion metálico M (es decir, Na, K, Ca, Ba, Sr, etc. ), “x” es el número de átomos de aluminio y toma valores entre 2 y 10, e “y” es el número de átomos de silicio y toma valores entre 2 y 8. Además, cuentan con una gran superficie que supera los 1000 m2/g y poseen un tamaño de poro y una estructura ordenados. Se pueden diferenciar más de 250 tipos de zeolitas en función de su estructura cristalina. Las más comunes para aplicaciones industriales son: Modernita (tipo GIS), tipo A (tipo LTA), tipo X (FAU), tipo Y (FAU), chabazita (tipo CHA), ferrita, ZMS -5 (IMF) y BETA4.
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| Fig. 4. Ejemplos de algunas estructuras cristalinas de zeolitas. A) BETA, B) Tipo X (FAU), C) Modernita, D) ZMS-5, E) A-Tipo A (FAU), y F) Ferrita. |
Para la selección óptima de la zeolita, se deben considerar varios factores y parámetros para garantizar que sirva como un adsorbente eficaz:
-. Alta capacidad de adsorción (gran superficie específica y volumen de poros)
-. Selectividad (alta afinidad por los COV)
-. Naturaleza hidrofóbica (alta afinidad por las moléculas orgánicas)
-. Capacidad de regeneración (buena estabilidad térmica, no inflamable)
-. Bajo coste
-. Disponibilidad comercial
Aparte de estas premisas, se han considerado las características de los COV presentes en el aire de las instalaciones TMB de residuos priorizando: cuál es el compuesto más perjudicial para la salud, cuáles son los COV mayoritarios en el ambiente y qué COV contribuyen más al olor. Asimismo, prevalece la adsorción de m+p-xileno frente al o-xileno y la adsorción del m+p-xileno frente al estireno. Es conocido que el acetaldehído, al ser una molécula pequeña, puede presentar problemas de retención, por tanto, este será otro reto para el proyecto, buscar una solución para eliminar el acetaldehído.
Se han estudiado hasta 7 zeolitas diferentes a escala de laboratorio, además estas zeolitas son hidrofóbicas lo que permite operar hasta con un 90% de humedad relativa. En el caso de Barcelona, la humedad relativa es muy alta, sobre todo en verano.
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| Fig. 5. Montaje experimental para prueba de zeolitas |
2.3 Pruebas con zeolitas in situ en Ecoparc 3 (Barcelona)
La mayoría de las zeolitas que se seleccionaron para las pruebas estaban en forma de polvo, por ese motivo se utilizó un sistema de soporte compuesto por espuma de poliuretano y lana de vidrio. El sistema se configuró para dirigir el flujo de aire a través del compresor hacia la columna de adsorción antes de ser liberado nuevamente a la atmósfera (Fig. 5 y 6).
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| Fig. 6. Esquema de circuito ensamblado para las pruebas con zeolitas en Ecoparc 3. |
La concentración total de COV después de pasar a través del lecho de zeolita se midió continuamente con un analizador portátil (detector de fotoionización NEO, WatchGas B.V., Países Bajos). Ocasionalmente, también se realizaron mediciones de la concentración de COV de la nave de pretratamiento. El analizador se calibró para etanol, identificado como el compuesto mayoritario en la caracterización previa del LCMA-UPC.
Para evaluar más a fondo el rendimiento de la zeolita, ODOURNET tomó muestras adicionales para una caracterización completa de los COV en los siguientes puntos de muestreo:
-. Aire ambiente de la instalación de clasificación
-. Entrada (entre el compresor y la columna de adsorción)
-. Salida (después de la columna de adsorción)
Para conseguir un blanco se hizo circular N2 por la columna. La contaminación de la columna no fue significativa, ya que el orden de magnitud de la concentración de las familias de COV en el blanco era varias veces menor que las concentraciones registradas durante los experimentos.
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| Fig. 7. Evolución temporal de la concentración total de COV en la entrada y salida de la prueba de adsorción utilizando una mezcla de zeolitas |
La zeolita fue capaz de adsorber el 79 y el 70% del total de COV al inicio y al final del experimento (200 min), respectivamente. La mejor capacidad de adsorción de esta zeolita se observó para alcoholes, hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos cíclicos, ésteres, cetonas y terpenos, con eficiencias de remoción de 70, 68, 90, 77, 80, 86 y 96%, respectivamente. Al final del experimento, la eficiencia de eliminación de la mayoría de los compuestos se mantuvo constante, excepto los alcoholes y ésteres, que disminuyeron al 19 y 56%, respectivamente.
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| Fig. 8. Concentraciones de familias de COV antes y después de la prueba con zeolitas. |
3. Conclusiones
Se han determinado hasta un total de 115 COV en la nave de pretratamiento de una instalación de tratamiento de residuos TMB. Por lo que respecta a TCOV, las concentraciones se encuentran en un rango de 34 ± 2 mg/m3 (muestra 9/1/2024) y 155 ± 2 mg/m3 (muestra 17/1/24). Las familias químicas de COV más relevantes, según su contribución al TCOV, son alcoholes y terpenos. Las tres familias químicas más importantes en unidades de olor son los aldehídos, ésteres y los ácidos carboxílicos y los compuestos más relevantes al nivel de olor son el acetaldehído, etilbutirato y ácido butanoico.
Las zeolitas, especialmente las polvorientas, tienen una gran capacidad para adsorber COV. La mejor capacidad de adsorción se observó para alcoholes, hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos cíclicos, ésteres, cetonas y terpenos. La eficiencia de eliminación de la mayoría de los compuestos se mantuvo constante, excepto los alcoholes y ésteres, que disminuyeron al 19 y 56%, respectivamente, en las condiciones del ensayo.