proyecto fondef de investigaciÓn y desarrollo informe …

PROYECTO FONDEF DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO

INFORME FINAL

TITULO DEL PROYECTO: PRODUCCION DE NANOTUBOS DE CARBONO A PARTIR DE RESIDUOSPLASTICOS Y ENERGIA SOLAR

CÓDIGO DEL PROYECTO: ID14I10124

FECHA DE EMISION: 12/09/2017

FIRMA DEL (DE LA) DIRECTOR(A) DEL PROYECTO EDGAR EDUARDO MOSQUERA VARGAS

I. Acta De Término Del Proyecto

1.1 Identificación del proyecto

TITULO DEL PROYECTOPRODUCCION DE NANOTUBOS DE CARBONO A PARTIR DERESIDUOS PLASTICOS Y ENERGIA SOLAR

CÓDIGO FONDEF ID14I10124DIRECTOR(A) DELPROYECTO

EDGAR EDUARDO MOSQUERA VARGAS

INSTITUCIÓN(ES)BENEFICIARIA(S)

UNIVERSIDAD DE CHILE

EMPRESA Y OTRASENTIDADES ASOCIADAS

RESITER Y CIA. LTDA.FUNDACION CHILE

1.2 Ejecución del proyectoFECHA DE TOMA DE RAZONPOR LA CONTRALORÍAGENERAL DE LA REPÚBLICA

24/12/2014

DURACIÓN CONTRACTUAL 24 FECHA EFECTIVA DE INICIO 16/03/2015FECHA EFECTIVA DETÉRMINO

15/07/2017

DURACIÓN EFECTIVA 28

1.3 Plan de ContinuidadNombre Institución Beneficiaria Nombre Representante Legal Firma

UNIVERSIDAD DE CHILEFLAVIO ANDRÉS SALAZARONFRAY

Firma Electrónica

1.4 Tabla de ConformidadNombre Institución Empresa u OtraEntidad Socia

Nombre Representante Legal Documento conformidad

RESITER Y CIA. LTDA.FUNDACION CHILE MARCOS KULKA KUPERMAN

II. Informe Ejecutivo

2.1 Resumen Ejecutivo

Versión en Castellano

Objetivos GeneralesNombre Objetivo OBJETIVO GENERAL

Descripción

Desarrollar un proceso de producción que, a partir de energía solar ydesechos plásticos, permita la obtención de nanotubos de carbono (CNT)con características técnicas comparables a las exigencias del mercadoactual.

Objetivos EspecíficosNombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO

Descripción

1. Desarrollar un equipo prototipo a escala laboratorio, de dos zonas quefuncione con energía solar y que permita realizar en forma separada ycontrolada los procesos de: i) pirolisis de residuos plásticos; y ii) síntesis denanotubos de carbono.

Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO

Descripción

Seleccionar y adaptar al desarrollo tecnológico propuesto, catalizadores deuso en procesos actuales para la degradación de plástico por pirolisis quepermitan lograr aprovechar al máximo la cantidad de carbono del plásticoen la síntesis de CNT (60% en peso del carbono disponible en elpolipropileno).


DescripciónEmplear nanopartículas de magnetita obtenidas a partir de mineral chilenocomo material catalizador en la síntesis de CNT’s en el equipo prototipo aescala de laboratorio.


DescripciónSintetizar en el equipo prototipo a escala laboratorio, nanotubos de carbonode pared múltiple (MWCNT) o simple (SWCNT) con características físicas yquímicas similares a los disponibles en el mercado.


DescripciónProteger mediante propiedad industrial (PI) los desarrollos derivados delproyecto que sean objeto de resguardo por esta vía.

RESULTADOTipo Resultado de Producción Nombre Reactor solar prototipo para descomposicion de plastico y produccion de CNT

Descripción Equipo prototipo compuesto por dos sistemas (1. sistema reactor solar de doszonas interconectadas para pirolisis de plásticos y producción de CNT y 2.sistema óptico-sensorial para capturar y direccionar la radiación solar incidenteen la zona al sistema reactor), que permite transformar polímero (reciclado yvirgen del tipo PE y PP) a nanotubos de carbono (SWCNT, MWCNT) utilizandocomo fuente energética la radiación solar. El equipo prototipo se diferencia de lastecnologías disponibles actualmente (descarga de arco eléctrico, ablación conláser, deposición química en fase vapor -CVD, deposición química en fase vaporcatalítica -CCVD, síntesis por llama, y método de energía solar) en que el costoenergético para producir los CNT es más bajo (utiliza energía solar para susprocesos frente energía eléctrica que utilizan las otras técnicas), y los materialesutilizados como catalizador (NP�s de magnetita) y materia prima (polímeroreciclado) son más económicos que los empleados en los tradicionales (carbonogaseoso proveniente de CH4, C2H4, CO como materia prima y catalizadoresbase níquel/cobalto). Se espera que el equipo prototipo al final de la primera fasetenga una capacidad de producción de CNT de 1-3 gr/h, luego de 5 pruebas enlaboratorio y 2 pruebas en campo.

Descripción del Logro

ómo se presenta físicamente , El resultado del proyecto se presenta como unsistema de producción de bajo costo y baja complejidad, para la obtención denanotubos de carbono (CNT) a partir de materia prima carbonoso,preferentemente, desechos plásticos, incluyendo polipropileno, polietileno de altadensidad o mezclas de ambos, entre otros, y que usa como fuente de energía laradiación solar. El sistema está conformado por los siguientes componentesagrupados en tres subsistemas: 1) un sub-sistema de seguimiento solar en ejesX e Y para sostenimiento de radiación solar en las dos zonas del reactor solar, 2)un sub-sistema reactor solar de dos zonas para producción de nanotubos decarbono y, 3) un sub-sistema de conversión de energía solar en eléctrica,almacenamiento y suministro. Dentro de esta configuración, los CNT sonproducidos por el movimiento de un medio de soporte superior a lo largo (eje X)y/o en lo alto (eje Y) respecto de un medio de soporte inferior, en función delmovimiento del sol, que concentra la radiación en cada zona de un reactor de 2zonas (una zona de pirolisis de la materia carbonosa y otra zona de síntesis denanotubos de carbono). En la Figura 1a se muestra el esquema del sistema,entre tanto, en la Figura 1b se muestra una imagen en perspectiva del equipoconstruido. Cuáles son sus condiciones de uso Se expone las condiciones deoperación del sistema con base en la Figura 1a. Para la producción denanotubos, se prepara el reactor solar (1), mediante la limpieza de cada zona (lazona de pirolisis de materia carbonosa y la zona de producción de nanotubos decarbono). Dicha limpieza se realiza con un solvente orgánico y/o mediosmecánico-abrasivos, donde el solvente puede ser acetona y dicho mediomecánico-abrasivo puede ser una escobilla o hisopo metálico. Luego, se colocael reactor sobre el medio de soporte superior (2) apoyado en un medio base yanclado mediante pernos a dicho medio base (no mostrado en la figura). Secoloca materia carbonosa en el medio de riel que conecta con la zona de pirolisisde materia carbonosa, incluyendo polietileno, polipropileno o mezclas de ambos,opcionalmente con al menos un catalizador de pirolisis (en forma de cama, elcatalizador de pirolisis puede ser zeolita HZMS-5 comercial u otro catalizador delestado del arte para dichos fines incluyendo óxidos de aluminio, óxidos de silicio,mezclas en aluminosilicatos, opcionalmente con presencia de metales alcalinos yalcalinotérreos, y en la zona del riel que conecta con la zona de producción denanotubos de carbono, el al menos un catalizador para la producción denanotubos, pudiendo ser este en base níquel, cobalto, hierro, aluminio, ocombinaciones de estos, u óxidos de dichos elementos y sus mezclas, entreotros reportados en el estado del arte para este fin, opcionalmente con unsoporte (generalmente aluminosilicatos o zeolitas también reportadas en elestado del arte), esta etapa se denomina preparación de materiales para laproducción de nanotubos. Posterior a esta etapa, se abre la compuerta (1.8) o(1.9) del reactor solar (1) y se ingresa el medio de riel (1.10) dentro de dichaszonas del reactor, la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2)de producción de nanotubos de carbono. Una vez colocada la materia primacarbonosa incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas deambos, entre otros y al menos un catalizador de pirolisis de plástico como lazeolita HZMS-5 en la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa, así como de almenos un catalizador de síntesis de nanotubos de carbono incluyendocatalizadores en base a níquel, cobalto, aluminio, hierro o una mezcla de los

mismos, opcionalmente con un medio de soporte de catalizador, preferentementeun medio de soporte del tipo zeolita, en la zona (1.2) para la producción denanotubos de carbono se realiza un proceso de ambientación (solo vacío o vacíojunto con llenado de gas). Posterior a esto, se conectan los diferentes sensores(temperatura y presión), accionando el tablero de control (11). Mediante dichotablero (11) se activa el sistema de seguimiento solar (foto-detector y electrónica)de manera de orientar el medio de soporte superior (2) en la dirección de mayorradiación solar a la hora de inicio del proceso de producción (por ejemplo desde11:00 hasta 15:00, considerando un tiempo máximo de reacción de producciónde nanotubos de 3 horas y mantenimiento de luz solar hasta las 18:00 horas),con la ayuda del medio actuador tipo brazo (10) y el medio tipo rodamiento-eje(9), posterior a esto, se accionan los medios actuadores (5) y (7) para elposicionamiento de los lentes de Fresnel, de manera que el foco de luzconcentrada de los lentes se posicionen sobre cada una de las zonas del reactor,la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2) de producción denanotubos de carbono, y generen una temperatura interna en cada una de laszonas del reactor, la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2)de producción de nanotubos de carbono, que va desde temperatura ambientesubiendo alrededor de 30 C/min hasta los 480 C, siendo conocida esta etapacomo de precalentamiento del reactor. El precalentamiento del reactor puededurar entre 20-35 minutos, considerándose una temperatura inicial de pirolisis deplástico cuando se llega a los 500 C en la zona (1.1) de pirolisis de materiacarbonosa y, 700 C de síntesis de nanotubos de carbono en la zona de síntesisde nanotubos de carbono (1.2). Una vez que el reactor llega a dichastemperaturas internas en cada una de las zonas del reactor, la zona (1.1) depirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2) de producción de nanotubos decarbono, entre 500 C a 700 C, se considera un tiempo de máximo 120 minutospara completar la pirolisis y la producción de nanotubos de carbono, esta etapaes conocida como de pirolisis de materia carbonosa y producción de nanotubos.Las temperaturas óptimas para la pirolisis de plástico y síntesis de nanotubos decarbono, pueden estar en un rango de 500-600 C para la pirolisis y en un rangode 700-1100 C para la síntesis de nanotubos de carbono. Sin embargo, ambasreacciones (pirolisis de materia carbonosa y síntesis de nanotubos de carbono)pueden darse a una misma temperatura entre 750 C-950 C. Conforme el sol vacambiando de posición (ver Figura 2) el sistema de posicionamiento lo sigue através del movimiento del medio de soporte superior (2), de tal manera que elpunto focal (17) no se pierde y por ende se puede mantener la temperatura alinterior de las zonas del reactor (1), la zona (1.1) de pirolisis de materiacarbonosa y la zona (1.2) de producción de nanotubos de carbono durante laproducción de los nanotubos (ver Figura 2). El tiempo requerido para la pirolisisdel plástico y producción de nanotubos de carbono esta entre 90-120 minutos.Dicha pirolisis del plástico se realiza primero y los gases hidrocarburosgenerados son transportados a la zona (1.2) de producción de nanotubos decarbono por efecto de la expansión, donde en presencia del catalizador deproducción de nanotubos de carbono se da comienzo a la reacción de formaciónde estos. Después del tiempo de reacción, se accionan los medios actuadores(5) y (7) para desenfocar el lente de Fresnel (6) lo cual finaliza el calentamientodel reactor de forma inmediata, de esta manera el reactor solar (1) se puede

desacoplar del medio de soporte inferior (3) para ser colocado en otra zona parasu enfriamiento y posterior remoción de productos o subproductos. Cuáles sonsus principales competidores o sustitutos (Nómbrelos), A la fecha, los procesosmás utilizados para la síntesis de CNT siguen siendo la deposición química enfase vapor (CVD) y la deposición química en fase vapor catalítica (CCVD),puesto que permiten obtener rendimientos de producción de 90 y rendimientosde pureza de 90 . A pesar del desarrollo del estudio e implementación de nuevasfuentes de carbono de origen natural, vegetal e incluso a partir de desechos, lasmaterias primas por excelencia en las grandes industrias continúan siendo losgases de combustibles fósiles (acetileno, metano, etano, etc.) y catalizadorescostosos como níquel y cobalto. Esto se debe principalmente, a que el impactoen la pureza de los CNT finales utilizando estos gases es mayor en comparacióncon otras fuentes alternativas, además de que los subproductos del proceso sonmás fáciles de manejar, lo que disminuye los costos totales al no requerir etapasposteriores de condicionamiento extensas. Cuáles son las principales diferenciasfuncionales, operacionales y productivas que tendrá la solución con respecto almejor competidor o sustituto Respecto a los procesos utilizados a nivel industrialque lideran la producción de nanotubos de carbono, las diferencias con el equipoprototipo desarrollado radican con independencia de los rendimientos o calidadde los nanotubos obtenidos, en que: 1) el prototipo utiliza desechos plástico y/omezclas como materia prima carbonosa, 2) utiliza radiación solar para generarlas temperaturas requeridas al interior del reactor, tanto para la pirolisis deplásticos como para la síntesis de nanotubos de carbono, y 3) la inclusión de uncatalizador de magnetita mineral (Chile), que es mucho más económico que losactuales (Ni, Co, y mezclas). Debido a la condición final del equipo prototipo, aúnestá lejos de llegar a un estándar y a los rendimientos de los sistemasindustriales ( 100 kg/día), principalmente porque se requiere de mejoras en elreactor y en la definición de condiciones de proceso y dosificacióncatalizador/materia prima y catalizador/gas de carbono, para aprovechar enmayor proporción tanto la materia prima (plásticos) como el catalizador demagnetita mineral. Por otro lado, en relación a otras tecnologías en desarrollo,las Tablas 1 y 2 muestran las principales diferencias respecto del equipoprototipo desarrollado. Cuáles son los beneficios que las diferenciasmencionadas le generarán al productor, usuario intermedio y/o usuario final Losbeneficios en la medida que se pueda llegar a un prototipo mucho másestandarizado (control precisa de variables de proceso, optima relación demateria prima/catalizador, aislamiento térmico total del reactor de dos zonas,máximo aprovechamiento del catalizador de magnetita, mayor área de focotérmico en el reactor, entre otras), son disminuir drásticamente el costo deproducción de los nanotubos de carbono. Tan solo en la sustitución de la energíaeléctrica por energía solar, el impacto en los costos de operación es del 30 .Quiénes lo producirían Empresas que produzcan equipos para la producción denanotubos de carbono, empresas que producen nanotubos de carbono en polvoy en suspensión, y empresas que integran nanotubos de carbono a susproductos. Las principales empresas que fabrican tecnologías específicamentepara la producción de nanotubos de carbono son: Oxford Instruments (U.S.) yAixtron (Alemania). Por otro lado, de acuerdo con el estudio de mercadoadquirido durante la ejecución del proyecto The Global Market for Carbon

Nanotubes. Future Markets (adquirido en Abril 2016), existen más de 15empresas a nivel mundial que producen nanotubos de carbono, siendo losprincipales productores siendo algunas de estas: Arkema S.A. (France), ArryInternational Group LTD. (China), Carbon Solutions Inc. (U.S.), CNT COMPANYLTD. (Korea), Klean Carbon Inc. (Canada), Nanocyl S.A. (Belgium), NanothinxS.A. (Greece), entre otras. En lo que respecta a empresas que integrannanotubos de carbono en sus productos (textiles, artículos deportivos,electrónica, membranas de remoción de contaminantes, entre otras), según elmismo estudio existen más de 100 empresas a nivel mundial.ómo se presentafísicamente , El resultado del proyecto se presenta como un sistema deproducción de bajo costo y baja complejidad, para la obtención de nanotubos decarbono (CNT) a partir de materia prima carbonoso, preferentemente, desechosplásticos, incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas deambos, entre otros, y que usa como fuente de energía la radiación solar. Elsistema está conformado por los siguientes componentes agrupados en tressubsistemas: 1) un sub-sistema de seguimiento solar en ejes X e Y parasostenimiento de radiación solar en las dos zonas del reactor solar, 2) unsub-sistema reactor solar de dos zonas para producción de nanotubos decarbono y, 3) un sub-sistema de conversión de energía solar en eléctrica,almacenamiento y suministro. Dentro de esta configuración, los CNT sonproducidos por el movimiento de un medio de soporte superior a lo largo (eje X)y/o en lo alto (eje Y) respecto de un medio de soporte inferior, en función delmovimiento del sol, que concentra la radiación en cada zona de un reactor de 2zonas (una zona de pirolisis de la materia carbonosa y otra zona de síntesis denanotubos de carbono). En la Figura 1a se muestra el esquema del sistema,entre tanto, en la Figura 1b se muestra una imagen en perspectiva del equipoconstruido. Cuáles son sus condiciones de uso Se expone las condiciones deoperación del sistema con base en la Figura 1a. Para la producción denanotubos, se prepara el reactor solar (1), mediante la limpieza de cada zona (lazona de pirolisis de materia carbonosa y la zona de producción de nanotubos decarbono). Dicha limpieza se realiza con un solvente orgánico y/o mediosmecánico-abrasivos, donde el solvente puede ser acetona y dicho mediomecánico-abrasivo puede ser una escobilla o hisopo metálico. Luego, se colocael reactor sobre el medio de soporte superior (2) apoyado en un medio base yanclado mediante pernos a dicho medio base (no mostrado en la figura). Secoloca materia carbonosa en el medio de riel que conecta con la zona de pirolisisde materia carbonosa, incluyendo polietileno, polipropileno o mezclas de ambos,opcionalmente con al menos un catalizador de pirolisis (en forma de cama, elcatalizador de pirolisis puede ser zeolita HZMS-5 comercial u otro catalizador delestado del arte para dichos fines incluyendo óxidos de aluminio, óxidos de silicio,mezclas en aluminosilicatos, opcionalmente con presencia de metales alcalinos yalcalinotérreos, y en la zona del riel que conecta con la zona de producción denanotubos de carbono, el al menos un catalizador para la producción denanotubos, pudiendo ser este en base níquel, cobalto, hierro, aluminio, ocombinaciones de estos, u óxidos de dichos elementos y sus mezclas, entreotros reportados en el estado del arte para este fin, opcionalmente con unsoporte (generalmente aluminosilicatos o zeolitas también reportadas en elestado del arte), esta etapa se denomina preparación de materiales para la

producción de nanotubos. Posterior a esta etapa, se abre la compuerta (1.8) o(1.9) del reactor solar (1) y se ingresa el medio de riel (1.10) dentro de dichaszonas del reactor, la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2)de producción de nanotubos de carbono. Una vez colocada la materia primacarbonosa incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas deambos, entre otros y al menos un catalizador de pirolisis de plástico como lazeolita HZMS-5 en la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa, así como de almenos un catalizador de síntesis de nanotubos de carbono incluyendocatalizadores en base a níquel, cobalto, aluminio, hierro o una mezcla de losmismos, opcionalmente con un medio de soporte de catalizador, preferentementeun medio de soporte del tipo zeolita, en la zona (1.2) para la producción denanotubos de carbono se realiza un proceso de ambientación (solo vacío o vacíojunto con llenado de gas). Posterior a esto, se conectan los diferentes sensores(temperatura y presión), accionando el tablero de control (11). Mediante dichotablero (11) se activa el sistema de seguimiento solar (foto-detector y electrónica)de manera de orientar el medio de soporte superior (2) en la dirección de mayorradiación solar a la hora de inicio del proceso de producción (por ejemplo desde11:00 hasta 15:00, considerando un tiempo máximo de reacción de producciónde nanotubos de 3 horas y mantenimiento de luz solar hasta las 18:00 horas),con la ayuda del medio actuador tipo brazo (10) y el medio tipo rodamiento-eje(9), posterior a esto, se accionan los medios actuadores (5) y (7) para elposicionamiento de los lentes de Fresnel, de manera que el foco de luzconcentrada de los lentes se posicionen sobre cada una de las zonas del reactor,la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2) de producción denanotubos de carbono, y generen una temperatura interna en cada una de laszonas del reactor, la zona (1.1) de pirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2)de producción de nanotubos de carbono, que va desde temperatura ambientesubiendo alrededor de 30 C/min hasta los 480 C, siendo conocida esta etapacomo de precalentamiento del reactor. El precalentamiento del reactor puededurar entre 20-35 minutos, considerándose una temperatura inicial de pirolisis deplástico cuando se llega a los 500 C en la zona (1.1) de pirolisis de materiacarbonosa y, 700 C de síntesis de nanotubos de carbono en la zona de síntesisde nanotubos de carbono (1.2). Una vez que el reactor llega a dichastemperaturas internas en cada una de las zonas del reactor, la zona (1.1) depirolisis de materia carbonosa y la zona (1.2) de producción de nanotubos decarbono, entre 500 C a 700 C, se considera un tiempo de máximo 120 minutospara completar la pirolisis y la producción de nanotubos de carbono, esta etapaes conocida como de pirolisis de materia carbonosa y producción de nanotubos.Las temperaturas óptimas para la pirolisis de plástico y síntesis de nanotubos decarbono, pueden estar en un rango de 500-600 C para la pirolisis y en un rangode 700-1100 C para la síntesis de nanotubos de carbono. Sin embargo, ambasreacciones (pirolisis de materia carbonosa y síntesis de nanotubos de carbono)pueden darse a una misma temperatura entre 750 C-950 C. Conforme el sol vacambiando de posición (ver Figura 2) el sistema de posicionamiento lo sigue através del movimiento del medio de soporte superior (2), de tal manera que elpunto focal (17) no se pierde y por ende se puede mantener la temperatura alinterior de las zonas del reactor (1), la zona (1.1) de pirolisis de materiacarbonosa y la zona (1.2) de producción de nanotubos de carbono durante la

producción de los nanotubos (ver Figura 2). El tiempo requerido para la pirolisisdel plástico y producción de nanotubos de carbono esta entre 90-120 minutos.Dicha pirolisis del plástico se realiza primero y los gases hidrocarburosgenerados son transportados a la zona (1.2) de producción de nanotubos decarbono por efecto de la expansión, donde en presencia del catalizador deproducción de nanotubos de carbono se da comienzo a la reacción de formaciónde estos. Después del tiempo de reacción, se accionan los medios actuadores(5) y (7) para desenfocar el lente de Fresnel (6) lo cual finaliza el calentamientodel reactor de forma inmediata, de esta manera el reactor solar (1) se puededesacoplar del medio de soporte inferior (3) para ser colocado en otra zona parasu enfriamiento y posterior remoción de productos o subproductos. Cuáles sonsus principales competidores o sustitutos (Nómbrelos), A la fecha, los procesosmás utilizados para la síntesis de CNT siguen siendo la deposición química enfase vapor (CVD) y la deposición química en fase vapor catalítica (CCVD),puesto que permiten obtener rendimientos de producción de 90 y rendimientosde pureza de 90 . A pesar del desarrollo del estudio e implementación de nuevasfuentes de carbono de origen natural, vegetal e incluso a partir de desechos, lasmaterias primas por excelencia en las grandes industrias continúan siendo losgases de combustibles fósiles (acetileno, metano, etano, etc.) y catalizadorescostosos como níquel y cobalto. Esto se debe principalmente, a que el impactoen la pureza de los CNT finales utilizando estos gases es mayor en comparacióncon otras fuentes alternativas, además de que los subproductos del proceso sonmás fáciles de manejar, lo que disminuye los costos totales al no requerir etapasposteriores de condicionamiento extensas. Cuáles son las principales diferenciasfuncionales, operacionales y productivas que tendrá la solución con respecto almejor competidor o sustituto Respecto a los procesos utilizados a nivel industrialque lideran la producción de nanotubos de carbono, las diferencias con el equipoprototipo desarrollado radican con independencia de los rendimientos o calidadde los nanotubos obtenidos, en que: 1) el prototipo utiliza desechos plástico y/omezclas como materia prima carbonosa, 2) utiliza radiación solar para generarlas temperaturas requeridas al interior del reactor, tanto para la pirolisis deplásticos como para la síntesis de nanotubos de carbono, y 3) la inclusión de uncatalizador de magnetita mineral (Chile), que es mucho más económico que losactuales (Ni, Co, y mezclas). Debido a la condición final del equipo prototipo, aúnestá lejos de llegar a un estándar y a los rendimientos de los sistemasindustriales ( 100 kg/día), principalmente porque se requiere de mejoras en elreactor y en la definición de condiciones de proceso y dosificacióncatalizador/materia prima y catalizador/gas de carbono, para aprovechar enmayor proporción tanto la materia prima (plásticos) como el catalizador demagnetita mineral. Por otro lado, en relación a otras tecnologías en desarrollo,las Tablas 1 y 2 muestran las principales diferencias respecto del equipoprototipo desarrollado. Cuáles son los beneficios que las diferenciasmencionadas le generarán al productor, usuario intermedio y/o usuario final Losbeneficios en la medida que se pueda llegar a un prototipo mucho másestandarizado (control precisa de variables de proceso, optima relación demateria prima/catalizador, aislamiento térmico total del reactor de dos zonas,máximo aprovechamiento del catalizador de magnetita, mayor área de focotérmico en el reactor, entre otras), son disminuir drásticamente el costo de

producción de los nanotubos de carbono. Tan solo en la sustitución de la energíaeléctrica por energía solar, el impacto en los costos de operación es del 30 .Quiénes lo producirían Empresas que produzcan equipos para la producción denanotubos de carbono, empresas que producen nanotubos de carbono en polvoy en suspensión, y empresas que integran nanotubos de carbono a susproductos. Las principales empresas que fabrican tecnologías específicamentepara la producción de nanotubos de carbono son: Oxford Instruments (U.S.) yAixtron (Alemania). Por otro lado, de acuerdo con el estudio de mercadoadquirido durante la ejecución del proyecto The Global Market for CarbonNanotubes. Future Markets (adquirido en Abril 2016), existen más de 15empresas a nivel mundial que producen nanotubos de carbono, siendo losprincipales productores siendo algunas de estas: Arkema S.A. (France), ArryInternational Group LTD. (China), Carbon Solutions Inc. (U.S.), CNT COMPANYLTD. (Korea), Klean Carbon Inc. (Canada), Nanocyl S.A. (Belgium), NanothinxS.A. (Greece), entre otras. En lo que respecta a empresas que integrannanotubos de carbono en sus productos (textiles, artículos deportivos,electrónica, membranas de remoción de contaminantes, entre otras), según elmismo estudio existen más de 100 empresas a nivel mundial.

Referencia Bibliográfica

RESULTADOTipo Resultado de Protección Nombre Ingreso de solicitud de patente de reactor solar prototipo para produccion CNT Descripción Presentación de solicitud de patente ante INAPI para protección de la invención a

nivel nacional. Esta solicitud da vía libre a la transferencia tecnológica(negociación de licencia, servicios, know-how) para el desarrollo/adopción porparte de los potenciales clientes a nivel local, siendo estos, 1. Empresas quereciclan y transforman polímeros que estén en busca de abrir nuevas líneas denegocios y 2. Empresas de desarrollo y trasferencia de tecnología.


Se pretende licenciar la tecnología a empresas interesadas, para esto la Unidadde Innovación de la Universidad de Chile está trabajando en la búsqueda depotenciales interesados. Los datos de la solicitud son los siguientes: País: ChileFecha de presentación: 11 de marzo de 2016 Número de Serie: 574-2016Solicitante: UNIVERSIDAD DE CHILE En caso de que la empresa licenciataríasea extranjera, se procederá a realizar la solicitud PCT de acuerdo con losplazos y procedimientos estipulados por esta vía. Los datos de la solicitud sonlos siguientes: País: Chile Fecha de presentación: 11 de marzo de 2016 Númerode Serie: 574-2016 Solicitante: UNIVERSIDAD DE CHILE En caso de que laempresa licenciataría sea extranjera, se procederá a realizar la solicitud PCT deacuerdo con los plazos y procedimientos estipulados por esta vía.

RESULTADOTipo Resultado de Protección Nombre Ingreso de solicitud PCT de reactor solar prototipo para produccion CNT Descripción Presentación de solicitud de patente ante INAPI para solicitud PCT a nivel

internacional con miras a realizar el trámite de protección de la invención enUSA, Alemania y China. Esta solicitud da vía libre a la transferencia tecnológica(negociación de licencia, servicio, know-how) para el desarrollo/adopción porparte de los potenciales clientes a nivel internacional, siendo estos, 1. Empresasque fabrican y venden equipos para producción de CNT; 2. Empresas queproducen y comercializan CNT; 3. Empresas que integran CNT a sus productospara mejorar alguna propiedad en particular.


Se presento solicitud de patente del resultado final del proyecto ante INAPI. Elcódigo de la Solicitud de Patente de Invención en Chile es la No. 1754-2017 ytiene el titulo: "Sistema para la producción de nanotubos de carbono a partir demateria carbonosa, preferentemente, desechos plásticos y energía solar, métodode producción".

RESULTADOTipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros") Nombre publicacion cientifica

Descripción Divulgar resultados en el área de la producción de nanotubos de carbonoutilizando catalizadores alternativos, como lo es la magnetita mineral de origenchileno. La fecha de publicación del articulo es el 2016. Derivó de unosexperimentos cortos que realizó el investigador PhD Mauricio Morel durante laejecución del proyecto, los cuales resultaron interesantes desde el punto de vistadel uso de magnetita (mineral chileno) como catalizador de nanotubos decarbono.


Se publico el siguiente articulo en el marco del desarrollo del proyecto: MauricioMorel, Edgar Mosquera, Donovan E. Diaz-Droguett, Nicolás Carvajal, MartinRoble, Vania Rojas, Rodrigo Espinoza-González. Mineral magnetite as precursorin the synthesis of multi-walled carbon nanotubes and their capabilities ofhydrogen adsorption. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue45, 7 December 2015, Pages 15540-15548. La publicación muestra un sistema ymétodo para utilizar la magnetita mineral como catalizador de nanotubos decarbono, utilizando como fuente de carbono, un material carbonoso como elalcanfor. Los resultados permitieron definir condiciones de operación cuando seusa la magnetita como catalizador.

Referencia Bibliográfica

Mauricio Morel, Edgar Mosquera, Donovan E. Diaz-Droguett, Nicolás Carvajal,Martin Roble, Vania Rojas, Rodrigo Espinoza-González. Mineral magnetite asprecursor in the synthesis of multi-walled carbon nanotubes and their capabilitiesof hydrogen adsorption. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40,Issue 45, 7 December 2015, Pages 15540-15548.

RESULTADOTipo Resultado de Formación de Capacidades (Ex "Otros")Nombre Formacion en procesos de pirolisis de plasticos y produccion de nanotubos Descripción Se trata de algo nuevo, puesto que anterior al proyecto no existían capacidades

en el laboratorio del departamento de materiales, así como el conocimientorelacionados con la producción de nanotubos de carbono a partir de plásticos,así como la integración de fuentes de calor no convencionales. El objetivo delresultado es aumentar la masa critica de profesionales con capacidades en elárea de nanomateriales (producción de nanotubos), el uso de materias primasno-convencionales (plásticos), y la integración de fuentes de energía noconvencionales a los procesos (radiación solar). Aporta en todos los objetivos delproyecto, para determinar las condiciones de pirolisis de plásticos (temperatura,tiempo, presión, masa, relación con catalizador de pirolisis), determinarcondiciones de síntesis de nanotubos de carbono (temperatura, tiempo, presión,tipo de catalizador, proporción con soporte), determinar parámetros estructuralesdel equipo prototipo (diseño de sistema de soporte y seguimiento solar, reactorsolar de dos zonas), y finalmente condiciones para el aprovechamiento de laradiación solar en reactores químicos.


Se logró crear conocimiento relacionado con la producción de nanotubos decarbono a partir de plásticos, así como la integración de fuentes de calor noconvencionales. Lo anterior, mediante el apoyo para la realización de 4memorias de pregrado y 1 de postgrado, así como la estancia de 1 pasanteinternacional de pregrado (Institut National Des Sciences Appliqueés Lyon,Francia) Los resultados experimentales de dichos trabajos y análisis de losresultados, permitieron determinar las condiciones de pirolisis de plásticos(temperatura, tiempo, presión, masa, relación con catalizador de pirolisis),determinar condiciones de síntesis de nanotubos de carbono (temperatura,tiempo, presión, tipo de catalizador, proporción con soporte), determinarparámetros estructurales del equipo prototipo (diseño de sistema de soporte yseguimiento solar, reactor solar de dos zonas), y finalmente condiciones para elaprovechamiento de la radiación solar en reactores químicos. Como capacidadesfísicas para el laboratorio, se logró reactivar un cromatografo de gases quepermite estudiar la evolución de los gases producidos en la pirolisis de plásticosin-situ, se logró condicionar un horno de 3 zonas para el estudio de parámetrosde pirolisis de plásticos y síntesis de nanotubos. También, queda el prototipoversión 1, el cual permite concentrar la radiación solar en un punto lo queayudará a futuro en el diseño de reactores solares.

RESULTADO DE PRODUCCIóNCategoría Cantidad Comprometida Cantidad Lograda

Producto 1 1

RESULTADO DE PROTECCIóNCategoría Cantidad Comprometida Cantidad Lograda

Patente 2 2

RESULTADO DE PRODUCCIóN CIENTíFICA (EX "OTROS")Categoría Cantidad Comprometida Cantidad Lograda

Publicación 1 1

RESULTADO DE FORMACIóN DE CAPACIDADES (EX "OTROS")Categoría Cantidad Comprometida Cantidad Lograda

Capacidades profesionales desarrolladas ofortalecidas

1 1

MontosComprometidossegún Conveniopor fuente definanciamiento

Monto Giradopor Fondef

Gastosfinanciados porfuente definanciamiento

%

FONDEF 149.180.000 149.180.000 148.844.56976,6%

FONDEF 149.180.000 149.180.000 148.844.56938,3%

Institución(es) Beneficiaria(s)

UNIVERSIDAD DE CHILE 40.794.000 No Aplica 45.471.20823,4%

UNIVERSIDAD DE CHILE 40.794.000 No Aplica 45.471.20811,7%

Empresas y otras Entidades Asociadas 0 No Aplica 0 %Totales 189.974.000 149.180.000 194.315.777 50 %

Monto por Reintegrar 335.431Monto Reintegrado a FONDEF (0)Costo Final del Proyecto 388.631.554

El(la) Representante Institucional de cada Institución BeneficiaraUNIVERSIDAD DE CHILEEl proyecto cumplió de forma satisfactoria con los compromisos estipulados al inicio. Si bien es cierto elequipo de trabajo tuvo dificultades en el cumplimiento en los tiempos definidos en la carta Gantt inicial, losmotivos correspondieron con los desafíos propios de la investigación y desarrollo (validación de hipótesis,ajustes de resultados, tiempos de gestión no contemplados, incorporación de proveedores competentes,movimiento de recursos, dificultades en el reclutamiento de personal competente, entre otros), de donde seresalta que la calidad de los resultados obtenidos no se vio afectada, siendo estos: 1) de producción, 2) deprotección, 3) de producción científica y 4) de formación de capacidades. De dichos resultados se indica quese logró obtener una segunda patente la cual no estaba comprometida para el proyecto, de igual manera selogró obtener una publicación científica indexada y formación de dos estudiantes más de pregrado en elmarco del proyecto, resultados que tampoco se habían comprometido, lo cual exalta la gran labor ycompromiso con la comunidad que deriva de estos proyectos. Observando la premisa con la cual se gestó elproyecto, el estado del arte actual en la temática, es posible concluir que el equipo prototipo reactor solarconstruido, representa un primer paso para la consolidación de una tecnología que puede ser de importanciaa futuro para el país, es por esto que se sigue trabajando en la búsqueda de un potencial socio para lasegunda etapa.

El(la) Director(a) del proyectoLos resultados derivados de la ejecución del proyecto se dividen en 4 categorías, siendo estas: 1) deproducción, 2) de protección, 3) de producción científica y 4) de formación de capacidades. 1) En lo querespecta al resultado de producción, se logró construir un sistema prototipo que permite la producción denanotubos de carbono a partir de material carbonoso (residuos plásticos) y radiación solar. El sistemapermite seguir el posicionamiento del sol durante el día en los 3 ejes (x,y) con el propósito de mantenerconcentrada la radiación solar en las dos zonas del reactor durante el día. Las dos zonas del reactor estáninterconectadas por una válvula, donde una zona es para la pirolisis del plástico y la otra zona es para lasíntesis de los nanotubos de carbono. Para los experimentos, la empresa interesada Resiter S.A. suministróel material plástico (residuos) del mismo lote y de la misma categoría (polietileno o polipropileno), de estamanera se pudo lograr trazabilidad y reproducibilidad en los experimentos. Las dificultades que sepresentaron para el logro del resultado, fueron: i) la pérdida de más de 5 meses entre la búsqueda de laempresa de ingeniería que construyera el sub-sistema de seguimiento solar integrado al soporte del reactory los trámites administrativos internos en la Universidad, y ii) el desarrollo de la parte experimental enlaboratorio, debido a la demora de casi 3 meses en la adecuación de un cromatógrafo de gases para elestudio de la pirolisis de los plásticos. 2) En lo que respecta al resultado de protección, se logró redactar ypresentar dos solicitudes de patente ante el INAPI. La primera se relaciona con un método para purificarnanotubos de carbono y la segunda se relaciona con el sistema de producción de nanotubos de carbono apartir de material carbonoso (plásticos) y radiación solar. 3) En lo que respecta al resultado de produccióncientífica, se logró tener una publicación en revista indexada. 4) En lo que respecta al resultado de formaciónde capacidades, se apoyó la realización de 4 memorias de pregrado y 1 de postgrado, así como la estanciade 1 pasante internacional de pregrado (Institut National Des Sciences Appliqueés Lyon, Francia). Comocapacidades físicas para el laboratorio, se logró reactivar un cromatografo de gases y condicionar un hornode 3 zonas para el estudio de parámetros de pirolisis de plásticos y síntesis de nanotubos, así comoconstruir un prototipo inicial (V1.0). Como dificultades presentadas para el logro del resultado, se tiene lademora en la realización de experimentos y caracterización de los productos, esto debido a compromisosacadémicos de los memoristas y a la lentitud de la Universidad para evaluar las memorias de grado.Adicionalmente, el uso de un horno de calentamiento por convección, implica tiempos muy largos para elcalentamiento y luego el enfriamiento de dicho sistema; debido a que se contaba con un solo horno reactor,solo se podía realizar 1 experimento por día, ya que el tubo reactor debía permanecer por al menos 1 hora a900ºC para eliminar los residuos del experimento anterior.

proyecto fondef de investigaciÓn y desarrollo informe …

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