La pirólisis (del griego: piro, ‘fuego’, y lisis, ‘rotura’) es la descomposición química de materia orgánica y todo tipo de materiales, excepto metales y vidrios, causada por el calentamiento a altas temperaturas en ausencia de oxígeno (y de cualquier halógeno). Involucra cambios simultáneos de composición química y estado físico, los cuales son irreversibles. En este caso, no produce ni dioxinas ni furanos.
La pirólisis permite producir un sólido carbonoso, un aceite y un gas.Burning of wood , InnoFireWood's website, visto 6 de febrero de 2010. Comienza a un nivel de temperatura relativamente bajo (a partir de 200 °C) y continúa hasta unos 1.000 °C. Según la temperatura, la proporción de los tres compuestos resultantes es diferente.La Pyrolyse; définition en el sitio École nationale des mines Saint-Étienne . En particular, se puede producir en un horno solar, como se ha demostrado en el horno solar de Odeillo.Rui LI, Kuo ZENG, Daniel GAUTHIER & Gilles FLAMANT (2016) Product distribution and valorisation of agricultural waste through solar pyrolysis; Journées Nationales sur l'Energie Solaire 28 to 30 June 2016; University of Perpignan; Processes, Materials and Solar Energy Laboratory (PROMES-CNRS); (jnes.fr/uploads/resumes_intervenants2016/LI.pdf abstract).
La pirólisis extrema, que solo deja carbono como residuo, se llama carbonización. La pirólisis es un caso especial de termólisis.
Un ejemplo de pirólisis es la destrucción de neumáticos usados. En este contexto, la pirólisis es la degradación del caucho de la rueda mediante el calor en ausencia de oxígeno.
Todos los cuerpos orgánicos complejos están compuestos por cadenas de moléculas (polímero; por ejemplo, plásticos, caucho, madera, papel, etc.). El calor rompe esta cadena y produce moléculas orgánicas más pequeñas, como metano CH4, dióxido de carbono CO2 y agua H2O .
Cuando un cuerpo sólido, como la madera, se quema, a menudo se hace de la siguiente manera: la humedad se evapora (deshidratación); el calor de la llama descompone la materia en moléculas ligeras; las moléculas ligeras, del tipo metano, arden con el dioxígeno del aire.
Por lo tanto, existe una combinación de pirólisis/combustión de un gas, provocando la combustión y manteniendo la pirólisis mientras quede material para quemar.
La mayoría de las veces, hablamos de pirólisis para la descomposición a alta temperatura aunque sin llama (por ejemplo la descomposición de grasas en el proceso de limpieza de un horno denominado "pirólisis"). Procesos y mecanismos generales
La pirólisis consiste generalmente en calentar el material por encima de su temperatura de descomposición, rompiendo los enlaces químicos de sus moléculas. Los fragmentos suelen convertirse en moléculas más pequeñas, pero pueden combinarse para producir residuos con mayor masa molecular, incluso sólidos covalentes amorfos.
En muchos entornos, pueden estar presentes algunas cantidades de oxígeno, agua u otras sustancias, de modo que puede producirse combustión, hidrólisis u otros procesos químicos además de la pirólisis propiamente dicha. A veces estas sustancias químicas se añaden intencionadamente, 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 en el vacío o en una atmósfera inerte para evitar reacciones químicas secundarias (como la combustión o la hidrólisis). La pirólisis en el 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 se producen los siguientes procesos, en etapas sucesivas o superpuestas:
Por debajo de unos 100 °C, los volátiles, incluida parte del agua, se evaporan. Las sustancias sensibles al calor, como la vitamina C y la proteínas, pueden cambiar parcialmente o descomponerse ya en esta etapa. A unos 100 °C o un poco más, se expulsa el agua restante que sólo está absorbida en el material. Este proceso consume mucho energía, por lo que la temperatura puede dejar de aumentar hasta que toda el agua se haya evaporado. El agua atrapada en la estructura cristalina de los hidratos puede desprenderse a temperaturas algo más altas. Algunas sustancias sólidas, como las grasas, las ceras y el azúcar, 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, uno de los principales componentes de la madera, el papel y los tejidos de algodón, se descompone a unos 350 °C.Zhou, Hui; Long, YanQiu; Meng, AiHong; Li, QingHai; Zhang, YanGuo (August 2013). "The pyrolysis simulation of five biomass species by hemi-cellulose, cellulose and lignin based on thermogravimetric curves". Thermochimica Acta. 566: 36–43. La lignina, otro de los principales componentes de la madera, comienza a descomponerse a unos 350 °C, pero sigue liberando productos volátiles hasta los 500 °C. Los productos de descomposición suelen incluir agua, monóxido de carbono y/o dióxido de carbono , así como un gran número de compuestos orgánicos.Zhou, Hui (2017). "Combustible Solid Waste Thermochemical Conversion". Springer Theses. doi:10.1007/978-981-10-3827-3. ISBN 978-981-10-3826-6 Los gases y productos volátiles salen de la muestra, y algunos de ellos pueden condensarse de nuevo en forma de humo. Generalmente, este proceso también absorbe energía. Algunos volátiles pueden encenderse y arder, creando una llama visible. Los residuos no volátiles suelen volverse más ricos en carbono y formar grandes moléculas desordenadas, con colores que oscilan entre el marrón y el negro. En este punto se dice que la materia ha sido "charroja" o "carbonizada". A 200-300 °C, si no se ha excluido el oxígeno, el residuo carbonoso puede empezar a arder, en una reacción altamente exotérmica, a menudo sin llama o con poca llama visible. Una vez iniciada la combustión del carbono, la temperatura aumenta espontáneamente, convirtiendo el residuo en una brasa incandescente y liberando dióxido y/o monóxido de carbono. En esta fase, parte del nitrógeno que aún queda en el residuo puede oxidarse en óxido de nitrógeno como y . El azufre y otros elementos como el cloro y el arsénico pueden ser oxidados y volatilizados en esta etapa. Una vez completada la combustión del residuo carbonoso, suele quedar un residuo mineral pulverulento o sólido (ceniza), formado por materiales inorgánicos oxidados de alto punto de fusión. Parte de la ceniza puede haber salido durante la combustión, arrastrada por los gases como cenizas volantes o emisiones de partículas. Los metales presentes en la materia original suelen permanecer en las cenizas como óxidos o carbonatos, como la potasa. El fósforo, procedente de materiales como los huesos, los fosfolípidos y los ácidos nucleicos, suele permanecer como fosfato.
Pirólisis anhidra miniaturadeimagen|Carbón vegetal obtenido mediante pirólisis. La pirólisis ocurre en una atmósfera deficitaria en oxígeno. Este fenómeno ocurre normalmente cuando un compuesto orgánico sólido se calienta fuertemente en la ausencia de oxígeno , como por ejemplo, los productos de pirólisis de materia orgánica, que al freír o asar producen hidrocarburos aromáticos policíclicos, aminas heterocíclicas y amino imidazol azarenos. Aunque estos procesos se llevan a cabo en una atmósfera normal, las capas externas del material conservan el interior sin oxígeno.
El proceso también ocurre cuando se quema un combustible sólido compacto, como la madera. De hecho, las llamas de un fuego de madera se deben a la combustión de gases expulsados por la pirólisis, no por la combustión de la madera en sí misma.
Un antiguo uso industrial de la pirólisis anhidra es la producción de carbón vegetal mediante la pirólisis de la madera. Más recientemente la pirólisis se ha usado a gran escala para convertir el carbón en carbón de coque para la metalurgia, especialmente en la fabricación de acero.
Se piensa que la pirólisis anhidra tiene lugar durante la catagénesis, la conversión de querógeno a combustible fósil
En muchas aplicaciones industriales este proceso es llevado a cabo bajo presión y a temperaturas por encima de los 430 °C. La pirólisis anhidra también se puede usar para producir un combustible líquido similar al gasoil a partir de biomasa sólida o plásticos. La técnica más común utiliza unos tiempos de residencia muy bajos (menos de dos segundos) y temperaturas de entre 400 y 800 °C.
Pirólisis acuosa El término pirólisis se utiliza en ocasiones para denominar también la termólisis con presencia de agua, tal como el craqueo por vapor de agua del petróleo o la depolimerización térmica de los residuos orgánicos en crudo pesado.
Pirólisis al vacío En la pirólisis al vacío, el material orgánico se calienta en el vacío para reducir el punto de ebullición y evitar reacciones químicas adversas.
Aplicaciones de la pirólisis Pirólisis de recursos renovables Los procesos de pirólisis se clasifican como tecnologías prometedoras para utilizar materias primas renovables -especialmente a base de lignocelulosa- y desplazar a los combustibles fósiles, razón por la cual se han realizado investigaciones masivas sobre ellos durante mucho tiempo. Sin embargo, actualmente los procesos no tienen gran importancia económica. La pirólisis de biomasa es un paso hacia la recuperación de numerosos biocombustibles s y plataformas químicas.Tony Bridgwater: Review Biomass for energy. In: Journal of the Science of Food and Agriculture. Band 86, 2006, S. 1755–1768
La fabricación pirolítica de productos ofrece un gran potencial para la reducción de gases de efecto invernadero en comparación con la fabricación convencional basada en combustibles fósiles. El balance exacto depende en particular del uso de los productos de pirólisis y del tipo de biomasa.
La pirólisis de biomasa también se utiliza como medio de CO2 en forma de captura y almacenamiento de CO2 pirogénico (PyCCS).Constanze Werner, Hans-Peter Schmidt, Dieter Gerten, Wolfgang Lucht, Claudia Kammann: Potencial biogeoquímico de los sistemas de pirólisis de biomasa para limitar el calentamiento global a 1,5 °C' Cartas de investigación ambiental, 13(4), 2018, 044036. doi:10.1088/1748-9326/aabb0e
Pirólisis de residuos La aplicación de la pirólisis al tratamiento de residuos ha ganado aceptación junto con otras tecnologías avanzadas de tratamiento de residuos. Sin embargo no los elimina, sino que los transforma en carbón, agua, residuos líquidos, partículas, metales pesados, cenizas o tóxicos —en algunos casos—, entre otros; vertiendo al aire desde sustancias relativamente inocuas hasta muy tóxicas y reduciendo así su volumen. Esta destilación destructiva obviamente imposibilita el reciclado o la reutilización.
La pirólisis se puede utilizar también como una forma de tratamiento termal para reducir el volumen de los residuos y producir combustibles como subproductos. También ha sido utilizada para producir un combustible sintético para motores de ciclo diésel a partir de residuos plásticos.Cynar plc (2006) Convirtiendo residuos plásticos en combustible diésel
La pirólisis es una importante alternativa a la incineración para la valorización de residuos, como neumáticos usados, residuos de madera o plásticos. Muchas de estas plantas funcionan en Asia, especialmente en Japón, y también se han probado en Alemania. En el caso de Alemania, la Agencia Federal de Medio Ambiente evalúa la pirólisis de residuos de forma bastante crítica y considera que, como mucho, un pretratamiento pirolítico de los residuos es útil en determinadas circunstancias.
Además, la pirólisis también puede utilizarse como método térmico para la remediación de suelos en suelos contaminados con petróleo, mercurio y dioxinas.
Producción y regeneración de carbón activado