“Eficiencia energética de la limpieza de COV del aire en interiores con filtros de fibra de carbón Activado (FCA)”

María Fernanda Martínez Flores

24 de Abril del 2013

OPERACIONES UNITARIAS II

ENERGY EFFICIENT INDOOR VOC AIR CLEANING WITH

ACTIVATED CARBON FIBER (ACF) FILTERS

Meera A. Sidheswaran

Douglas P. Sullivan Sebastian Cohn William J. Fisk

Lawrence Berkeley National Laboratory, Indoor Environment Department, California, USA

Hugo Destaillats

Arizona State University, School of Sustainable Engineering and the Built Environment, Arizona, USALawrence Berkeley National Laboratory, Indoor Environment Department, California, USA

“Building and Environment” Volume 47,

January 2012, Pages 357–367

ÍNDICE

1. ABSTRACT2. INTRODUCCIÓN3. MÉTODOS4. RESULTADOS 5. RESUMEN Y CONCLUSIONES

ABSTRACT

Los objetivos del sistema de limpieza del aire son principalmente:

Reducir la exposición en el interior de los compuestos orgánicos volátiles (COVs).

Permitir simultáneamente reducidas tarifas y consumo de energía.

Evaluamos el uso de FCA para adsorber COV del aire interior durante periodos repetidos de 12 a 24 horas.

COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES (COVS)

Tolueno Benceno O-xileno 1-Butanol Limoneno Undecano Formaldehído

CondicionesT= 29°C 30% de humedad relativa

Se desarrolló una isoterma de Freundlich de multicomponentes para estimar la máxima capacidad de adsorción

En un proceso de regeneración cíclica, los COV fueron desorbidos por los filtros y ventilados al exterior para permitir el siguiente ciclo de limpieza del aire.

Tres diferentes métodos de regeneración de FCA fueron estudiados bajo condiciones ambientales.

Se encontró que calentando los filtros por periodos cortos daban los mejores resultados.

INTRODUCCIÓN

En la mayoría de los edificios comerciales los filtros existentes en los sistemas de climatización remueven las partículas generadas en el interior usando mucho menos energía que la ventilación.

Para complementar la filtración de partículas, son necesarios métodos para los COVs.

Estudios recientes han propuesto pruebas de métodos para evaluar el desempeño de las tecnologías de limpieza del aire para la reducción de la ventilación.

Fibra de carbón activado

VENTAJAS DE LOS FILTROS DE FIBRA

Los filtros FCA están preparados a partir de precursores de tejido y tienen una muy alta área superficial y baja caída de presión. También tienen un largo tiempo de vida.

Filtro de carbón activado granular.

Filtro de fibra de carbón activado.

REGENERACIÓN DE LOS FILTROS FCA

El proceso de regeneración consiste en desorber las COV del filtro y expulsarlas fuera del edificio.

Una regeneración efectiva fue lograda por calentamiento eléctrico.

Caracterizamos la capacidad de adsorción máxima de la fibra de carbón activado con concentraciones interiores reales con múltiples ciclos de regeneración.

D1-D6: válvulas F1: ventilador de aire normal F2: ventilador de aire de regeneración PF: filtro de partícula normal AC: filtro de fibra de carbón activado H: calentador

Figura 1. Dos configuraciones posibles de adaptación utilizando fibra de carbón activado en un sistema comercial de climatización.

MÉTODOS

ARREGLO EXPERIMENTAL

Tipo Densidad Superficial

(g/m2)

Espesor(mm)

Area Superficial

(m2/g)

Zorflex FM 10

120 0.4 1000-2000

Tabla 1. Propiedades de FCA

Fibra de carbón activado Zorflex FM 10

Compuesto Pesomolecul

ar

Punto de Ebullició

n (K)

Presión vapor

(mm Hg)

Niveles interiores promedio reportados

(ppb)

Concentración

de la cámara(ppb)

Benceno 78 353 100 0.9-3.2 12-15

1-Butanol 74 391 8.8 Dato no disponible 14-20

Tolueno 92 384 28.4 3.3-12 40-50

o-Xileno 106 418 6.7 0.5-1.8 5-10

Undecano 156 469 0.41 Dato no disponible 35-40

Limoneno 136 449 20 1.4 2-10

Formaldehído

30 252 Gas a temperatur

a del cuarto

17 15-30

Tabla 2. Propiedades físicas, niveles interiores típicos de COVs seleccionados y concentraciones usadas en la mezcla de estudio.

1. Se preparó una mezcla líquida homogénea de los VOC objetivo y se inyectó a velocidad constante utilizando una bomba de jeringa a una cámara de acero inoxidable

2. Se añadió formaldehído y limoneno mucho después.

3. Se mantuvo a 29°C.

4. La cámara de aire se mantuvo mezclada con ventiladores.

5. Pasó a través de un tubo de teflón para conectarlo al sistema experimental.

Fig. 2. Arreglo experimental.

El filtro fue sometido a un periodo de adsorción de 24 h o 12 h seguido de un periodo corto de desorción (regeneración).

El aire fluye a través de la ACF donde se controla mediante controladores de flujo másico para proporcionar una velocidad de flujo de 31.4 m/min durante el período de adsorción.

Se evaluaron dos diferentes modos de regeneración de ACF:

Regeneración de aire externo sin calentar.Se utilizaron dos diferentes velocidades de aire del exterior sin calentar que pasaba a través del filtro, 6.28 y 0.31 m/min.

Regeneración electro-térmica El ACF se calentó a aproximadamente 150°C. Tres diferentes velocidades (5.24, 0.52 y 0.11 m/min) se estudiaron para determinar las condiciones óptimas para lograr una eficiencia de regeneración alta con un consumo mínimo de energía.

DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE ELIMINACIÓN Y REGENERACIÓN

La eficiencia de eliminación de COV por ciento de un ciclo dado, nai, se calculó:

donde

na,i es la eficiencia de eliminación por ciento. C0,i es la concentración de entrada del i-ésimo periodo de adsorción de VOC bajo

estudio (ng/m3). Ca,i (t) es la concentración de salida del i-ésimo periodo de adsorción.

La eficiencia de regeneración de un ciclo dado se calculó como la relación de la masa de VOC desorbido durante una corrida de regeneración entre la masa neta de VOC acumulado en la ACF de todos los anteriores períodos de adsorción:

donde

nr,i es la eficiencia de regeneración Mr,i es la masa de VOC desorbido al final del i-ésimo periodo de regeneración (ng) Ma,i es el total de masa de VOC adsorbido en el filtro ACF al final del i-esimo

periodo de adsorción (ng)

RESULTADOS

ISOTERMA DE ADSORCIÓN MULTI-COMPONENTE MODIFICADA Y LA CAPACIDAD DE VOC DE RETENCIÓN DE ACF

La isoterma de adsorción multicomponente se expresa en términos de masa del adsorbato y se escribe como sigue:

donde:o qi: masa máxima adsorbida del componente i por unidad de

masa del medio, (μg/g).o Ki: constante de Freundlich de adsorción mono-componente

para el componente i.o aij: coeficiente de adsorción competencia adimensional para el

sistema multicomponente.o ni: exponente de la isoterma de el componente i.

o Cj: concentración del componente j.o k: número total de componentes en el sistema.

[16] Sheindorf C, Rebhun M, Sheintuch MA. Freundlich-type multicomponent isotherm. J Colloid Interface Sci 1981;79(1):136e42.

Los experimentos fueron llevados a cabo a una velocidad de 31.4. El tiempo de saturación fue un estimado de aproximadamente 97 h.

La máxima capacidad de adsorción de la tela de ACF para los compuestos bajo estudio, en las condiciones experimentales empleadas, se determinó experimentalmente integrando el área bajo el perfil de concentración de adsorción para cada compuesto.

Uno de los principales objetivos de este estudio de isoterma es para determinar la vida del lecho, es decir, el tiempo antes de que el lecho de ACF se sature y ya no elimine VOCs. La vida del lecho puede ser definida como sigue:

Uno de los principales objetivos de este estudio de isoterma es para determinar la vida del lecho, es decir, el tiempo antes de que el lecho de ACF se sature y ya no elimine VOCs. La vida del lecho puede ser definida como sigue:

donde MACF es la masa de fibra de carbón activado (g) Q es el flujo de corriente de aire a tratar (L/min) Ci,in es la concentración de entrada del componente i de la

corriente multicomponente de VOC (μg/L).

La vida del lecho estimada fue de aproximadamente 103 h. El reemplazo de los filtros de carbón activado cada 103 h de operación es impráctico, y por lo tanto la regeneración periódica in-situ es necesaria para este escenario.

ADSORCIÓN—CICLOS DE REGENERACIÓN: MÉTODO 1—REGENERACIÓN CON AIRE EXTERIOR A TEMPERATURA AMBIENTE.

Un nuevo filtro fue saturado basado inicialmente en la vida del lecho Ec. (5) y regenerado por un periodo de 12 h antes sometiéndolo a alternadas fases de adsorción y regeneración.

Regeneración con aire externo a 6.28 m/minLa fig. 3 muestra la eficiencia de eliminación de VOC lograda en diferentes ciclos para diferentes compuestos orgánicos volátiles en la mezcla con una velocidad de periodo de adsorción de 31.4 m/min.

•El limoneno se añadió a la mezcla de COV en los ciclos 6-12 y mostró una eficiencia de eliminación promedio de aproximadamente 35%.

Fig. 3. Tiempo vs. eficiencia de eliminación para cada COV excepto Limoneno para diferentes ciclos de adsorcion- regeneración con una velocidad de adsorción de 31.3 m/min y de regeneración de 6.3 m/min.

El proceso de regeneración no elimina todos los VOCs adsorbidos, por lo tanto, como la cantidad de los compuestos orgánicos volátiles retenidos en la ACF aumenta, la cantidad de VOC retirados por la tela de la corriente de entrada disminuye, dando lugar a una menor eficiencia de eliminación de COV.

Regeneración con aire externo a una velocidad de 0.31 m/min. Menor velocidad del aire, 24 h con periodos de 12 h. La adsorción de las especies más adsorbentes mejoraron significativamente cuando es precedido por el prolongado tiempo de regeneración.Posteriormente, la eficiencia de regeneración disminuyó rápidamente.

ADSORCIÓN – CICLOS DE REGENERACIÓN: MÉTODO 2 – REGENERACIÓN CON CALENTAMIENTO ELECTROTÉRMICO DE LA TELA ACF. La velocidad del flujo de aire contaminado se mantuvo a 31.4

m/min para todos estos experimentos. La temperatura de la fibra durante la regeneración se mantuvo

a 150°C por 2 h y los flujos del aire de regeneración fueron variados.

En la fase de regeneración calentada, tres velocidades de 5.24, 0.52 y 0.11 m/min fueron estudiadas para determinar la eficiencia de regeneración óptima.

Fig. 5.Porcentaje de eficiencia de eliminacion de COV para un periodo de adsorción de 24 h con diferentes velocidades de aire de regeneración electrotérmica y una temperatura de regeneración de 150°C durante 2 h.

o-Xileno, limoneno y undecano tienen una alta capacidad de adsorción de Freundlich (Ki) comparada con el formaldehido, benceno, tolueno y 1-butanol. Estos componentes pueden adsorberse fuertemente en la superficie de la fibra de carbón y desplazar las especies más volátiles que conducen a una disminución de la eficiencia de eliminación por ciento.

La eficiencia de regeneración depende de la velocidad de flujo de la corriente de regeneración.

CICLOS DE ADSORCIÓN- REGENERACIÓN: MÉTODOS 1 Y 2 CON CICLOS DE ADSORCIÓN (LIMPIEZA DEL AIRE) MÁS CORTOS.

Ciclos más cortos de adsorción y regeneración. La duración del periodo de adsorción se redujo de 24 h a 12 h. El aire exterior de regeneración se utilizó a velocidades de 4.2 m/min durante 6 h y la regeneración electrotérmica por calentamiento de la tela ACF a 150°C se utilizó a velocidades del aire  de 1.1 m/min con una duración de 15 min.

Regeneración con aire exterior a una velocidad de 4.2 m/min. Las eficiencias al final de los ciclos de 12 h fueron mas altas que la eficiencia de eliminación observados en los ciclos de 24h.

Fig. 6. (A) Aire de regeneración externo a 25°C y velocidad de aire de 4.2 m/min por 6 h.(B) Regeneración electrotérmica a 150°C y una velocidad del aire de 1.1 m/min durante 15 min.

Regeneración electrotérmica a una velocidad de 1.1 m/min

La eficiencia de COV eliminado fue mas alta que la observada al final de 24 h con un comparable flujo de aire de regeneración

RESUMEN Y CONCLUSIONES

RESUMEN

El filtro de FCA tiene un largo tiempo de vida de adsorción y puede ser utilizado con eficiencia para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles interiores con regeneración periódica.

Las isotermas de adsorción de los COV sobre la tela ACF indican que se tardará alrededor de 100 h para saturar completamente la ACF

Los medios de ACF pueden regenerarse fácilmente después de un período de 12 o 24 h de limpieza de aire.

CONCLUSIONES

ACF a 150°C resultó ser más efectivo en relación a la regeneración con aire exterior sin calefacción.

Los resultados con ACF sin calefacción son también muy aceptables, un uso óptimo de la ACF no necesariamente debe incluir una fase de calentamiento de cada ciclo. En su lugar, calefacción periódica después de un número de ciclos puede ser suficiente para eliminar las especies fuertemente adsorbidas

Las eficiencias de eliminación de COV se incrementaron cuando el tiempo de absorción se redujo a 12 h de 24 h.