Innovative Geopolymer/Zeolite Composites Fabricated by Electrospinning and 3D Printing for CO2 Capture and Separation Applications

Abstract

La captura, almacenamiento y utilización de gases de efecto invernadero son estrategias clave para mitigar el calentamiento global. El CO₂ puede capturarse mediante procesos como la adsorción; sin embargo, su almacenamiento geológico presenta limitaciones asociadas a altos costos de inversión y capacidad de almacenamiento. Por ello, es fundamental desarrollar materiales adsorbentes eficientes, de bajo costo y con capacidad de regeneración para procesos cíclicos de captura y utilización de CO₂.

Materiales como zeolitas, geopolímeros y adsorbentes híbridos han mostrado gran potencial para la separación de CO₂ de corrientes gaseosas. Además, el CO₂ recuperado durante la regeneración del adsorbente puede utilizarse en procesos de reducción electro-, foto- o termo-catalítica. A pesar de los avances, aún no existe consenso sobre la formulación ideal de geopolímeros que combine bajo costo, alta capacidad de adsorción y estructura porosa jerárquica adecuada para diferentes condiciones de operación.

En esta tesis se explora el potencial de compuestos de geopolímero/zeolita 13X como adsorbentes sostenibles para la captura y separación de CO₂. Se sintetizaron geopolímeros a partir de residuos de minería de fosfato y compuestos geopolímero/zeolita 13X, los cuales se procesaron mediante impresión 3D y electrohilado con alcohol polivinílico. Los materiales fueron caracterizados mediante FRX, DRX, FTIR, SEM-EDS, XPS, RMN de estado sólido, análisis textural y microtomografía de rayos X.

La adsorción de CO₂ y N₂ se evaluó entre 30 y 100 °C a 1 bar. El geopolímero mostró una capacidad máxima de 2,24 mmol g⁻¹ cuando fue curado a 80 °C con curado sumergido durante 30 días. En los compuestos geopolímero/zeolita 13X, la incorporación de 30% (m/m) de zeolita aumentó la capacidad de adsorción hasta ~2,6 mmol g⁻¹ a 30 °C y 1 bar. Las membranas electrohiladas presentaron menores capacidades (máximo 0,62 mmol g⁻¹) debido a la baja concentración de material adsorbente. Por otro lado, las estructuras impresas en 3D mostraron estabilidad estructural y porosidad ajustable, destacando su potencial para aplicaciones prácticas en captura de CO₂.