Thesis:

Captura directa de CO₂ del aire mediante pellets monolíticos de carbón activado en un sistema VSA a escala doméstica

La problemática climática actual, originada principalmente por actividades antropogénicas, provoca un aumento sostenido de las concentraciones atmosféricas de CO₂, intensificando el calentamiento global. En este contexto, la Captura Directa del Aire (DAC) surge como una tecnología clave para mitigar emisiones. Dentro de las alternativas DAC, la adsorción física en sólidos destaca por su menor requerimiento energético y su potencial de escalabilidad, posicionando al carbón activado como un adsorbente atractivo debido a su bajo costo y alta microporosidad. Este trabajo evalúa la influencia de la morfología geométrica interna de pellets con forma monolítica de carbón activado sobre su desempeño en la captura directa de CO₂ bajo condiciones ambientales relevantes. Para ello, se diseña y construye un sistema experimental en modo batch, operado mediante ciclos de adsorción, que permite comparar pellets monolíticos moldeados manualmente con carbón activado granular convencional. Se analizan distintos diseños geométricos, variando el tamaño de canal y el espesor de pared, evaluando su capacidad de adsorción. Los resultados muestran que los pellets monolíticos superan ampliamente al carbón granular, alcanzando capacidades de adsorción entre 70 y 150 mg CO₂/kg CA, frente a valores inferiores a 40 mg CO₂/kg CA para el material granular. La reducción del espesor de pared desde 7 mm a 5 mm genera incrementos de captura del orden de 25–40 %, asociados a una menor resistencia difusiva y a un aumento de la relación área/volumen cercano al 40 %. El diseño 4 mm/4 mm presenta la mayor capacidad de adsorción y una superficie efectiva de contacto de 0,0603 m², superior a otros diseños. Desde el punto de vista económico, este diseño también se posiciona como el más competitivo, ya que presenta el menor CAPEX, OPEX y costo nivelado de captura (LCOC), con un valor aproximado de 6.040 USD/tCO₂. Esto representa(...).

The current climate crisis, primarily driven by anthropogenic activities, leads to a continuous increase in atmospheric CO₂ concentrations, intensifying global warming. In this context, Direct Air Capture (DAC) emerges as a key technology to mitigate emissions. Among DAC alternatives, physical adsorption on solid materials stands out due to its lower energy requirements and scalability potential, positioning activated carbon as an attractive adsorbent due to its low cost and high microporosity. This work evaluates the influence of the internal geometric morphology of monolithic activated carbon pellets on their performance in direct CO₂ capture under relevant environmental conditions. For this purpose, a batch-mode experimental system is designed and constructed, operated through adsorption cycles, allowing the comparison between manually molded monolithic pellets and conventional granular activated carbon. Different geometric designs are analyzed by varying channel size and wall thickness, evaluating their adsorption capacity. The results show that monolithic pellets significantly outperform granular carbon, achieving adsorption capacities between 70 and 150 mg CO₂/kg CA, compared to values below 40 mg CO₂/kg CA for the granular material. Reducing the wall thickness from 7 mm to 5 mm leads to capture increases on the order of 25–40 %, associated with lower diffusive resistance and an increase in the area-to-volume ratio of approximately 40 %. The 4 mm/4 mm design presents the highest adsorption capacity and an effective contact surface area of 0.0603 m², higher than other designs. From an economic perspective, this design also stands out as the most competitive, as it presents the lowest CAPEX, OPEX, and levelized cost of capture (LCOC), with an approximate value of 6.040 USD/tCO₂. This represents(...).