Simulación numérica de monolitos impresos en 3D para la remoción de contaminantes del agua

Abstract

Debido a la necesidad de hacer más eficientes los sistemas actuales de adsorción en lecho fijo, en este trabajo se propuso un modelado matemático capaz de reproducir el proceso de adsorción en régimen dinámico, el cual se aplicó sobre una amplia variedad de geometrías de lecho, con el propósito de llevar a cabo la simulación de la remoción de un soluto sobre un lecho fijo. Con los resultados obtenidos de la simulación se realizaron modificaciones a la geometría del lecho con la intención de lograr un mejor aprovechamiento del material adsorbente. El enfoque que se utilizó para esto fue el de plantear geometrías de lecho que nos permitan obtener diferentes distribuciones de mezclado, de tal manera que en al interior del lecho se provoque un adelgazamiento de la capa limite, ubicada en la interfaz sólido-líquido que nos permitan disminuir los efectos difusivos presentes en la interfaz, Para lograr esto se propusieron 4 geometrías de lecho con una distribución axisimétricas, en cada geometría se propuso diferente distribución de canales manteniendo constante las dimensiones del lecho de 15cm de alto por 5 cm de radio, de tal manera que en las 4 geometrías estudiadas se mantuvo constante el volumen de huecos y la masa de material adsorbente. El modelado matemático propuesto fue derivado a partir de los fenómenos de transferencia de masa y momentum, y fue resuelto utilizando el software COMSOL Multiphysics, utilizando los parámetros del estudio de adsorción de 8-hidroxiquinoleína sobre carbón activado realizado por (Aguirre Contreras, 2022). Para cada una de las geometrías propuestas se evaluó el desempeño general del lecho a partir del tiempo de ruptura y saturación, y el aprovechamiento derivado de las curvas de ruptura obtenidas. A partir de los resultados se encontró que es posible disminuir los efectos difusionales y acotar la zona de transferencia de masa al interior de los monolitos, incrementando así la eficiencia.

Due to the need to make current fixed-bed adsorption systems more efficient, this work proposed a mathematical model capable of reproducing the adsorption process in a dynamic regime, which was applied to a wide variety of bed geometries, with the purpose of carrying out the simulation of the removal of a solute on a fixed bed. With the results obtained from the simulation, modifications were made to the geometry of the bed with the intention of achieving a better use of the adsorbent material. The approach used for this was to propose bed geometries that allow us to obtain different mixing distributions, in such a way that inside the bed a thinning of the boundary layer is caused, located in the solid-liquid interface that allow to reduce the diffusive effects present in the interface. To achieve this, 4 bed geometries with an axisymmetric distribution were proposed, in each geometry a different distribution of channels was proposed, maintaining constant the dimensions of the bed of 15 cm high by 5 cm of radius of in such a way that in the 4 geometries studied the volume of voids and the mass of adsorbent material remained constant. The proposed mathematical modeling was derived from the mass and momentum transfer phenomena, and was solved using the COMSOL Multiphysics software, using the parameters of the 8-hydroxyquinoline adsorption study on activated carbon carried out by (Aguirre Contreras, 2022). For each of the proposed geometries, the general performance of the bed was evaluated based on the rupture and saturation time, and the use derived from the rupture curves obtained. Based on the results, it was found that it is possible to reduce diffusional effects and delimit the mass transfer zone inside the monoliths, thus increasing efficiency.