La presente invención se refiere a un sistema para la producción de nanotubos de carbono a partir de materia carbonosa, preferentemente, desechos plásticos y energía solar; método de producción. Antecedentes y Técnica Relevante

Alrededor del mundo se generan cada año grandes cantidades de desechos plásticos. Cada año, 8 millones de toneladas métricas de plástico terminan en océanos, lo que es equivalente a cinco bolsas de supermercado llenas de plástico por cada pie de costa en el mundo. La proyección para el año 2025 espera una entrada acumulada de 20 veces la cifra actual, lo que se traduciría en casi 100 bolsas de supermercado llenas de plástico por pie de costa en el mundo [hUp://piastic-poih.; ^j ;¡on.orQ/]. De los desechos plásticos, las bolsas plásticas son una seria amenaza para el ecosistema natural y ya se ha reportado que las partículas, generadas por la degradación de las bolsas, tienen efectos nocivos sobre los animales acuáticos y terrestres [Environment Protection and Heritage Council. Decisión Regulatory Impact Statement- Investigation of options to reduce the impacts of plástic bags. Australia; 2008.]. A pesar de los importantes esfuerzos que se están realizando para reciclar los desechos plásticos, las tasas de reciclaje continúan siendo muy bajas por lo que todavía una gran cantidad de plásticos terminan en vertederos, representando una pérdida de recursos valiosos. Es aquí, donde la conversión de los desechos plásticos en productos de alto valor agregado, se presenta como una alternativa a considerar, [Jonathan C. Acomb, Chunfei Wu, Paul T. Williams. Control of steam input to the pyrolysis-gasification of waste plastics for improved production of hydrogen or carbón nanotubes. Applied Catalysis B: Environmental 147 (2014) 571 -584].

Los nanotubos de carbono (CNTs, por sus siglas en inglés), son uno de los materiales de carbono nanoestructurados más importantes en la actualidad y han atraído mucho interés desde su descubrimiento en 1991 . Lo anterior, debido a su variedad en estructura y propiedades, como por ejemplo, su resistencia a la tracción 100 veces mayor a la del acero, su elevada estabilidad ambiental y química, su conductividad térmica comparable a del diamante, y una conductividad eléctrica comparable a la del cobre. Estas propiedades ofrecen un gran potencial de crecimiento en diferentes industrias, desde la textil, electrónica, absorción microondas, actuadores, biomédica, hasta la purificación de agua. Se proyecta un tamaño de mercado para los nanotubos de carbono de USD$ 5.64 billones en 2020 con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de 20,1 % [Estudio de Mercado. The Global Market for Carbón Nanotubes. Future Markets, Abril 2016].

La industria de los nanotubos de carbono está creciendo rápidamente, y cada vez más se encuentran disponibles en el mercado diferentes tipos de nanotubos para explorar y comercializar en diferentes productos, empresas como DexMat, Advanced Research and Technologies PTE, y Applied Nanotech, Inc./Pen, Inc., producen nanotubos de carbono para la industria textil, productos anticorrosión y electrónica. Sin embargo, el precio de los nanotubos de carbono continúa siendo muy elevado como consecuencia de los altos costos del proceso y la purificación del producto, el alto costo de los equipos, capacidad de escalabilidad limitada de los métodos de fabricación, y la baja productividad.

Las tecnologías utilizadas a nivel industrial para la producción de nanotubos de carbono son intensivas en energía y recursos, e incluyen, pero no se limitan a: tecnología de descarga de arco eléctrico, tecnología de ablación con láser, tecnología deposición química en fase vapor (CVD, por sus siglas en inglés), tecnología deposición química en fase vapor catalítica (CCVD, por sus siglas en inglés), tecnología síntesis por llama, y tecnología de energía solar. Estos métodos emplean como fuente de carbono el carbono gaseoso proveniente de gases ultra puros (CH ₄ , C ₂ H ₄ , CO, entre otros), que poseen una alta relación costo-beneficio debido al bajo aprovechamiento energético o blancos de grafito de gran costo. Debido a esto, hoy en día se buscan tecnologías más eficientes y costo-efectivas para la producción a gran escala de estos materiales (CNT ^' s). En este sentido, la inclusión de plásticos como materia prima carbonosa ha sido una opción que viene desarrollándose desde hace 1 0 años, debido al rico contenido de carbón en las poliolefinas (polietileno de baja y alta densidad; polipropileno y poliestireno) de cerca del 85% en peso. Al respecto, se ha demostrado con éxito a escala de laboratorio que es posible la producción de CNT a partir de plásticos [Alireza Bazargan, Gordon McKay. A review -Synthesis of carbón nanotubes from plástic wastes. Chemical Engineering Journal 195-196 (2012) 377- 391 ].

V.G. Pol [V.G. Pol, P. Thiyagarajan. Remediating plástic waste into carbón nanotubes. J. Environ. Monit. 12 (2010) 455-459] divulga un sistema para la síntesis de nanotubos de carbono a partir de residuos plásticos usando un reactor que es puesto dentro de un horno eléctrico para alcanzar la temperatura de proceso (>750°C). Sin embargo, dado que todo el proceso se presenta en una sola cámara presurizada a 1000 psi, no se logra un máximo aprovechamiento del plástico, ni tampoco nanotubos de carbono de longitud extensa. Por su parte, Z. Jiang [Z. Jiang, R. Song, W. Bi, J. Lu, T. Tang. Polypropylene as a carbón source for the synthesis of multi-walled carbón nanotubes via catalytic combustión. Carbón 45 (2007) 449-458] divulga un proceso de producción de nanotubos de carbono en dos etapas, siendo estas: i) degradación del polímero en un reactor de tornillo helicoidal por efecto mecánico y térmico, y ii) formación de los nanotubos de carbono usando un reactor CVD. Sin embargo, el proceso requiere una gran cantidad de energía eléctrica para operar las dos etapas de proceso. En otra aproximación, Ren-Xuan [Yang [Ren-Xuan Yang, Kui-Hao Chuang, Ming-Yen Wey. Carbón nanotube and hydrogen production from waste plástic gasification over Ni-AI- SBA-15 catalysts: effect of aluminum content. RSC Adv., 2016, 6, 40731 -40740] divulga un sistema de reacción en lecho fluidizado a escala de laboratorio conectado a tres reactores de catálisis paralelos. El sistema utiliza como catalizador Ni/AI-SBA-15 y como fuente de carbono polipropileno grado pellets y bolsas de polietileno. Sin embargo, el proceso requiere una gran cantidad de energía eléctrica para operar las dos etapas de proceso. Ganesh Bajad [Ganesh Bajad, Venkanna Guguloth, R. P Vijayakumar & Suryasarathi B. Conversión of plástic waste into CNTs using Ni/Mo/MgO catalyst - An optimization approach by mixture experiment. Journal Fullerenes, Nanotubes and Carbón Nanostructures 24 (2) (2016) 162-169] divulga un equipo en base a un horno de tipo mufla donde se da la combustión de polipropileno y catalizador para la síntesis de nanotubos de carbono. Sin embargo, el proceso es poco eficiente y lento, además de que consume gran cantidad de energía eléctrica.

En el documento WO2015026294 se divulga un equipo reactor de dos zonas (una de pirólisis y otra de síntesis de nanotubos), que utiliza calentamiento por convección y no hace uso de catalizador. Sin embargo, debido a la ausencia de catalizador, los tiempos de síntesis son largos haciéndolo poco práctico para su escalamiento por el alto consumo energético.

En el documento CN104787747A se divulga un equipo que utiliza el principio de microondas y el método para preparar nanotubos de carbono de pared múltiple mediante pirólisis rápida mejorada por microondas, para lo cual utilizan como materia prima biomasa y/o desechos orgánicos carbonosos como plásticos. Sin embargo, debido a que ambas reacciones (degradación del polímero y síntesis de nanotubos) se realizan en un mismo entorno, no se aprovecha en gran parte los materiales, además de que no hay un control de los nanotubos de carbono producidos y no se utiliza catalizador, sino un material adsorbente de microondas haciéndolo poco práctico para su escalamiento. Otras tecnologías que buscan aprovechar el potencial de los plásticos para la producción de nanotubos de carbono son expuestas en documentos WO2015/034430A1 y CN103232031 B. WO2015/0344301 A1 muestra un equipo donde el calentamiento se produce por inducción (no es solar) y donde se requiere que el catalizador contenga fase ferromagnéticas que le permiten levitar en presencia de un campo magnético, y por ello, su configuración interna no es apta para un funcionamiento mediante radiación solar. CN103232031 B se divulga la preparación de un composito Fe/CNT obtenido del uso de un autoclave para mezclar catalizadores en base a hierro y un acelerador para degradar el polímero, y donde la síntesis del composito y la degradación del polímero se realizan en una única cámara provocando la consecuente contaminación del producto, su configuración interna tampoco permite un funcionamiento en base a radiación solar.

De acuerdo con lo anterior, otro gran desafío detectado dentro del ecosistema de producción de los nanotubos de carbono que impacta directamente en el costo, recae sobre el elevado consumo energético producto de las temperaturas requeridas para la síntesis délos nanotubos de carbono (> 700°C); independiente de la fuente de carbono (gas o sólido) y de la fuente de energía. Ante este panorama, la adopción de fuentes de energía no convencionales renovables (ERNC), como la energía solar, aparecen como una opción a tener en cuenta con miras a reducir los costos de producción de este importante nanomaterial. Respecto a esto, desde 1993 se encuentra reportado el trabajo llevado a cabo por parte del grupo francés Groupe de Dynamique des Phases Condensées (CNRS-Université de Montpellier II) en el desarrollo de un reactor solar que permite sintetizar fullerenos y nanotubos de carbono, pasando de un reactor tipo laboratorio hasta uno de producción a media escala [Tony Guillard, Gilíes Flamant, Jean-Francois Robert, Bruno Rivoire, Joseph Giral, Daniel Laplaze. Scale up of a solar reactor for fullerene and nanotube synthesis. Transactions of the ASME Vol. 124 (2002) 22-28 y D. Luxembourg, G. Flamant, D. Laplaze. Solar synthesis of single- walled carbón nanotubes at médium scale. Carbón 43 (2005) 2302-2310]. Sin embargo, dada la configuración de la tecnología es imposible la incorporación de desechos plásticos como materia prima para la producción de nanotubos de carbono.

A la luz de los antecedentes expuestos, es un objetivo de la presente invención superar los inconvenientes del estado del arte incorporando materia carbonosa, preferentemente, desechos plásticos en la producción de nanotubos de carbono utilizando radiación solar (eliminar dependencia de red eléctrica), al proporcionar un sistema de producción de bajo costo y baja complejidad, para la obtención de nanotubos de carbono (CNT) a partir de materia carbonosa incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas de ambos, entre otros y que usa como fuente de energía la radiación solar.

Breve Descripción de la Invención

La presente invención provee un sistema de producción de bajo costo y baja complejidad, para la obtención de nanotubos de carbono (CNT) a partir de materia carbonoso, preferentemente, desechos plásticos, incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas de ambos, entre otros, y que usa como fuente de energía la radiación solar. El sistema comprende diferentes componentes y donde los CNT son producidos 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 del movimiento del sol. El sistema también comprende un medio de reacción preferentemente un reactor de dos zonas (una zona de pirólisis de la materia carbonosa y otra zona de síntesis de nanotubos de carbono que integra el sistema de producción. Breve Descripción de las Figuras

La Figura 1 Muestra un esquema del sistema de producción de nanotubos de carbono (CNT) a partir de desechos plásticos y que usa como fuente de energía la radiación solar.

La Figura 2 Muestra un esquema del sistema de producción de nanotubos de carbono (CNT) de la Figura 1 en una vista superior. La Figura 3 Muestra un esquema del sistema de producción de nanotubos de carbono (CNT) de la Figura 1 , mostrando el movimiento del medio de soporte superior a lo largo (eje X) y/o en lo alto (eje Y) respecto del medio de soporte inferior, en función del movimiento del sol. La Figura 4 Muestra un esquema del sistema de producción de nanotubos de carbono (CNT) de la Figura 1 en una vista frontal, en la que se aprecian parámetros de dimensionalidad.

La Figura 5 Muestra un esquema del reactor de dos zonas para producción de nanotubos de carbono de la Figura 1 en una vista en perspectiva.

La Figura 6 Muestra un esquema del reactor de dos zonas para producción de nanotubos de carbono de la Figura 1 en despiece. La Figura 7 Muestra un difractograma realizado a los productos solidos obtenidos en la zona (1 .2) del reactor (1 ) definida para la producción de nanotubos de carbono, donde el circulo sin relleno es NiO, el circulo relleno es Ni, y el cuadrado es CNTs. La Figura 8 Muestra un espectro Raman realizado a los productos solidos obtenidos en la zona (1 .2) del reactor (1 ) definida para la producción de nanotubos de carbono.

La Figura 9 Muestra imágenes de Microscopía Electrónica de Transmisión tomadas a los productos solidos obtenidos en la zona (1 .2) del reactor (1 ) definida para la producción de nanotubos de carbono.

Descripción de la invención

La presente invención provee un sistema de producción de bajo costo y baja complejidad, para la obtención de nanotubos de carbono (CNT) a partir de materia carbonoso (preferentemente, desechos plásticos) incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas de ambos, entre otros, y que usa como fuente de energía la radiación solar; y método de síntesis. La Figura 1 , muestra un esquema del sistema de producción donde se aprecian los diferentes componentes que lo conforman. En tanto las Figuras 2 y 3 muestran el sistema en una vista superior y en una vista frontal, respectivamente. En la Figura 4, se muestra un esquema de sistema de producción donde se observa el movimiento del medio de soporte superior a lo largo (eje X) y/o en lo alto (eje Y) respecto del medio de soporte inferior, en función del movimiento del sol. Las Figuras 5 y 6, muestran en detalle un esquema del reactor de dos zonas (una primera zona de pirólisis de materia carbonosa y una segunda zona de síntesis de nanotubos de carbono) que integra el sistema de producción.

El sistema de producción de nanotubos de carbono objeto de la presente invención está conformado preferentemente por los siguientes componentes agrupados en dos subsistemas principales y un tercer subsistema opcional: 1 ) un sub-sistema de seguimiento solar en ejes X 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 de carbono y, 3) un sub-sistema de conversión de energía solar en eléctrica, almacenamiento y suministro.

El sub-sistema de seguimiento solar a lo largo de la longitud (eje X) y altitud (eje Y) para sostenimiento de radiación solar en un punto, comprende preferentemente de los siguientes medios mostrados en las Figuras 1 y 2: un medio de soporte superior (2) que además de dar estabilidad, aloja medios (16) que permiten el seguimiento y concentración de la radiación solar incidente en al menos un punto focal (17), siendo estos preferentemente lentes de Fresnel (6); al menos cuatro medios actuadores superiores para posicionamiento de al menos dos lentes de Fresnel (7); un medio actuador central (5) que permite graduar la altura del medio superior en relación a un reactor solar de dos zonas (1 ) de manera de controlar el radio del círculo de luz solar (17) generado por la concentración de la radiación solar de cada uno de los lentes de Fresnel (6) sobre cada zona del reactor solar (1 ), la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono; y un medio de foto- detección, preferentemente un foto detector (13) el cual coopera con un conjunto de balance (8) para el movimiento de dicho medio de soporte superior (2) conforme el sol se mueve a lo largo (eje X) y/o en lo alto (eje Y), de manera de seguir la trayectoria del sol y así mantener el radio del círculo de luz solar en el mismo punto,

Donde dicho conjunto de balance (8) comprende un medio actuador tipo brazo hidráulico (10), un medio de acople tipo rodamiento-eje (9) que recibe el medio actuador tipo brazo hidráulico (10), un medio de soporte inferior (12) de dicho medio actuador tipo brazo hidráulico que sirve como punto de apoyo para accionar dicho medio actuador tipo brazo hidráulico (10) y que se encuentra adherido a dicho medio de soporte inferior (3). Dicho medio de soporte superior (2) comprende también de un medio estructural central (4), el cual además de soportar dicho medio actuador central (5) permite mantener el centro de masa del medio de soporte superior (2). Un medio de control, preferentemente un tablero de control (1 1 ) está adherido a dicho medio de soporte inferior (3), conteniendo medios electrónicos (no mostrados en la figura) para los medios actuadores y un medio de foto-detección, preferentemente, un foto-detector, de manera de controlar de forma automática o manual el movimiento de dicho medio de soporte superior (2) a lo largo (eje X) y/o en lo alto (eje Y), así como también el movimiento de dichos al menos dos lentes de Fresnel (cada uno de forma independiente) en base en la información recibida de dicho medio de foto-detección.

Dicho medio de soporte inferior (3) puede estar fijado al suelo como se muestra en la Figura 1 , o puede tener medios de desplazamiento, preferentemente ruedas, en las esquinas que le permita al sistema tener un movimiento adicional a lo ancho o en profundidad (eje Z).

Con el sub-sistema descrito, se puede lograr concentrar en un radio de aprox. 10 cm a 20,5 cm temperaturas en la superficie del reactor solar entre 900°C -1250°C (dependiendo de la radiación solar, hora y lugar geográfico) y al interior del reactor en cada zona temperaturas entre 650°-1050°C. Por otro lado, el sub-sistema de seguimiento solar a lo largo (eje X) y/o en lo alto (eje Y) para sostenimiento de radiación solar en un punto, en su medio de soporte superior (2) tiene un rango de movimiento en ejes X e Y desde un ángulo a= 40° hasta un ángulo β = 40° (Figura 3). El radio del círculo de luz solar (17) generado por la concentración de la radiación solar de cada uno de los lentes de Fresnel (6) sobre cada zona del reactor solar (1 ) puede alcanzar un radio máximo de 20,5 cm. Adicionalmente, para alimentar de forma continua con energía eléctrica dichos medios electrónicos del sistema de producción de nanotubos contenidos en dicho medio de control, preferentemente un tablero de control (1 1 ), la conexión a una red eléctrica sería opcional ya que el sistema cuenta con un tercer subsistema (13) convencional de conversión de energía solar en eléctrica, para almacenamiento y suministro. Dicho subsistema (13) comprende de un conjunto de medios recargables de energía, preferentemente, baterías recargables (no mostradas en las figuras), medios de conexión eléctrica (no mostrados en las figuras), medios reguladores (no mostrados en las figuras) y medios para transformar energía lumínica en energía eléctrica, preferentemente celdas fotovoltaicas (15). El sub-sistema (13) puede alimentar 220 voltios con una potencia entre 1500-2000W para mantener operativo el sistema de producción por un tiempo de 9 horas por 12 meses (de acuerdo a radiación solar característica de la ciudad de Calama, Chile). El sub-sistema suministra energía eléctrica a cada medio que lo requiera en el sistema (no mostrado en las figuras).

En la Figura 4 se muestran las distancias que definen las dimensiones del sistema de producción, siendo la dimensión A1 entre 2221 cm a 2421 cm la que define la altura total del sistema tomada desde la base en el medio de soporte inferior (3) hasta el punto más alto del medio de soporte superior (2); la dimensión B1 entre 2540 cm a 2740 cm define el largo total del sistema referida a la distancia entre extremos de los ejes acoplados a los medios de rodamientos (9); la dimensión C1 entre 2340 cm a 2540 cm define el largo total del medio de soporte superior (2); las dimensiones D1 entre 1900 cm y 2100 cm y E1 entre 160 cm a 180 cm, definen el largo y el alto del reactor solar de dos zonas (1 ) dentro del sistema, respectivamente; la dimensión F1 entre 1210 cm a 1310 cm define el punto máximo de acople del medio actuador tipo brazo (10) con el conjunto medio de rodamiento-eje (9); la dimensión G1 mayor o igual a 40 cm define el tamaño del tablero de control. Las dimensiones del sistema dadas por A1 , B1 , C1 , D1 , E1 , y F1 , deben mantener una relación 1 :1 :1 :1 :1 :1 tomando como base los límites inferiores propias de cada dimensión.

En la Figura 5 y 6 se muestra el reactor solar de dos zonas (1 ) en detalle, el cual se coloca sobre el medio de soporte superior (2) apoyado en un medio base y anclado mediante medios de sujeción, preferentemente, pernos a dicho medio base (no mostrado en las figuras), de manera de rotar en conjunto con el medio de soporte superior (2), tal como se muestra en la Figura 3. El reactor (1 ) tiene forma cilindrica y comprende una zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y una segunda zona de producción de nanotubos de carbono (1 .2). El largo de la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa puede variar entre 25-125 cm y el largo de la zona (1 .2) de producción de nanotubos puede variar entre 25-125 cm. La relación entre el largo de la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y el largo de la zona (1 .2) de producción de nanotubos es de 2:1 , 1 :1 , 1 :2; el radio de la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos es de 5,16 cm, pudiendo ser opcionalmente iguales y tener una relación de radio de zona (1 .1 ) a zona (1 .2) de 2:1 , 1 :1 , 1 :2.

Las zonas (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos pueden opcionalmente estar conectados por un medio regulador de flujo (1 .3) que puede ser una válvula de paso o cualquier otro tipo de válvula; cada zona en su exterior puede ser fabricada de acero inoxidable o de otro material conductor de calor (1 .4) y resistente a altas temperaturas (>900°); sobre el reactor, preferentemente un tubo reactor, se coloca un medio aislante de tipo lana mineral (1 .5) donde el espesor de dicha capa aislante puede estar entre 1 -10 cm donde el objetivo es lograr preservar la temperatura interna al interior de cada zona, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa o la zona (1 .2) de producción de nanotubos o ambas zonas; el reactor (1 ) tiene un primer sensor de temperatura colocado en la parte exterior del reactor adyacente al borde del foco de luz solar concentrada por los lentes de Fresnel, de manera de monitorear la temperatura en el exterior del reactor solar, y un segundo sensor de temperatura en la parte interna de cada una de la zona (1 .1 ) de pirólisis de plásticos y la zona (1 .2) de producción de nanotubos, de manera de monitorear la temperatura al interior de cada zona, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa o la zona (1 .2) de producción de nanotubos o ambas zonas; dichos primer y segundo sensores de temperatura pueden ser termocuplas del tipo K o similares de alta temperatura. Los datos provenientes de los primer y segundo sensores de temperatura permiten determinar condiciones de proceso, tal que el operador o un programa informático determine el ajuste de la altura y orientación de los lentes de Fresnel respecto de cada una de la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos, de manera de lograr un proceso de pirólisis de materia carbonosa adecuado y un proceso de síntesis de nanotubos óptimo.

Para alimentar el reactor (1 ) con materia prima carbonosa (preferentemente desechos plásticos) incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas de ambos, entre otros y al menos un catalizador de pirólisis de materia carbonosa y al menos un catalizador de producción de nanotubos de carbono, el reactor (1 ) cuenta con una primera compuerta (1 .8) y una segunda compuerta (1 .9) ubicadas a cada extremo de cada zona del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos, medios de deslizamiento, preferentemente medios de riel (1 .10) en cada zona, las zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, que se desliza y posiciona la mezcla de materia carbonosa (opcionalmente con al menos un catalizador de pirólisis) en la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa, y al menos un catalizador de síntesis de nanotubos de carbono mezclado opcionalmente con un medio de soporte de catalizador, preferentemente un medio de soporte del tipo zeolita, en la zona (1 .2) para la producción de nanotubos de carbono, el medio de riel (1 .10) es ingresado por dichas compuertas (1 .8) y (1 .9); dicho medio de riel (1 .10) puede estar fabricado de acero inoxidable o de otro material conductor de calor y resistente a altas temperaturas (>1400°), y puede tener una forma cuadrada, rectangular o cualquier forma que permita el posicionamiento, tanto de la materia prima carbonosa (preferentemente, desechos plásticos) incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas de ambos, entre otros y al menos un catalizador de pirólisis de plástico como la zeolita HZMS-5 en la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa, así como de al menos un catalizador de síntesis de nanotubos de carbono incluyendo catalizadores en base a níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos, opcionalmente con un medio de soporte de catalizador, preferentemente un medio de soporte del tipo zeolita, en la zona (1 .2) para la producción de nanotubos de carbono; las dimensiones de largo y ancho de dichos rieles (1 .10), van determinadas por las dimensiones de cada zona del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono.

El ingreso de cada riel al interior de cada zona del reactor (1 ) puede ser de forma directa o mediante un medio de soporte tipo brazo (no mostrado en la figura) que permita alejar al operario de la radiación incidente sobre el reactor. Convenientemente, el reactor solar en cada una de la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono puede tener medios sensores de presión (no mostrados en la figura), pudiendo ser dichos medios sensores de presión seleccionados de medios sensores del tipo manómetro.

El reactor está provisto de un sistema de vacío (no mostrado en las Figuras) que puede ir conectado en cualquiera de dicha primera compuerta (1 .8) o segunda compuerta (1 .9) del reactor, que permite una evacuación del aire que se encuentra al interior del reactor, preferentemente un tubo reactor, la presión interna puede ir desde 0,5 a 1 ,0 atm, este último valor es dependiente del catalizador de síntesis de nanotubos de carbono seleccionado. En adición al sistema también puede opcionalmente comprender medios para ingresar un gas inerte, donde dicho gas inerte se selecciona de N ₂ o Ar, para ayudar al transporte de los gases carbonosos generados en la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa hasta la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono y generar un ambiente protector propicio para las reacciones necesarias en el al menos un catalizador de síntesis de nanotubos de carbono.

Para la producción de nanotubos, inicial y opcionalmente, se prepara el reactor solar (1 ), mediante la limpieza de cada zona, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono. Dicha limpieza se realiza con un solvente orgánico y/o medios mecánico-abrasivos, donde el solvente puede ser acetona y dicho medio mecánico-abrasivo puede ser una escobilla o hisopo metálico. Luego, se coloca el reactor sobre el medio de soporte superior (2) apoyado en un medio base y anclado mediante medios de sujeción, preferentemente pernos a dicho medio base (no mostrado en las figuras). Se coloca materia carbonosa en la zona (2.1 ) del medio de riel (1 .10) que conecta con la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa, incluyendo polietileno, polipropileno o mezclas de ambos, opcionalmente con al menos un catalizador de pirólisis (en forma de cama, el catalizador de pirólisis puede ser zeolita HZMS-5 comercial u otro catalizador del estado del arte para dichos fines incluyendo óxidos de aluminio, óxidos de silicio, mezclas en aluminosilicatos, opcionalmente con presencia de metales alcalinos y alcalinotérreos, y en la zona (2.2) del riel (1 .10) que conecta con la zona (1.2) de producción de nanotubos de carbono, el al menos un catalizador para la producción de nanotubos, pudiendo ser este en base níquel, cobalto, hierro, aluminio, o combinaciones de estos, u óxidos de dichos elementos y sus mezclas, entre otros reportados en el estado del arte para este fin, opcionalmente con un soporte (generalmente aluminosilicatos o zeolitas también reportadas en el estado 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 dichas zonas del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono. Una vez colocada la materia prima carbonosa incluyendo polipropileno, polietileno de alta densidad o mezclas de ambos, entre otros y al menos un catalizador de pirólisis de plástico como la zeolita HZMS-5 en la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa, así como de al menos un catalizador de síntesis de nanotubos de carbono incluyendo catalizadores en base a níquel, cobalto, aluminio, hierro o una mezcla de los mismos, opcionalmente con un medio de soporte de catalizador, preferentemente un medio de soporte del tipo zeolita, en la zona (1 .2) para la producción de nanotubos de carbono se realiza un proceso de ambientación (solo vacío o vacío junto con llenado de gas).

Posterior a esto, se conectan los diferentes sensores (temperatura y presión), accionando el tablero de control (1 1 ). Mediante dicho tablero (1 1 ) 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 mayor radiación solar a la hora de inicio del proceso de producción (por ejemplo desde 1 1 :00 hasta 15:00, considerando un tiempo máximo de reacción de producción de 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 el posicionamiento de los lentes de Fresnel, de manera que el foco de luz concentrada de los lentes se posicionen sobre cada una de las zonas del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, y generen una temperatura interna en cada una de las zonas del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, que va desde temperatura ambiente subiendo alrededor de 30°C/min hasta los 480°C, siendo conocida esta etapa como de precalentamiento del reactor.

El precalentamiento del reactor puede durar entre 20-35 minutos, considerándose una temperatura inicial de pirólisis de plástico cuando se llega a los 500°C en la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y, 700°C de síntesis de nanotubos de carbono en la zona de síntesis de nanotubos de carbono (1 .2). Una vez que el reactor llega a dichas temperaturas internas en cada una de las zonas del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, entre 500 °C a 700°C, se considera un tiempo de máximo 120 minutos para completar la pirólisis y la producción de nanotubos de carbono, esta etapa es conocida como de pirólisis de materia carbonosa y producción de nanotubos. Las temperaturas óptimas para la pirólisis de plástico y síntesis de nanotubos de carbono, pueden estar en un rango de 500-600°C para la pirólisis y en un rango de 700-1 100°C para la síntesis de nanotubos de carbono. Sin embargo, ambas reacciones (pirólisis de materia carbonosa y síntesis de nanotubos de carbono) pueden darse a una misma temperatura entre 750°C-950°C.

Conforme el sol va cambiando de posición (Figura 3) el sistema de posicionamiento lo sigue a través del movimiento del medio de soporte superior (2), de tal manera que el punto focal (17) no se pierde y por ende se puede mantener la temperatura al interior de las zonas del reactor (1 ), la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono durante la producción de los nanotubos (Figura 3). El tiempo requerido para la pirólisis del plástico y producción de nanotubos de carbono esta entre 90-120 minutos. Dicha pirólisis del plástico se realiza primero y los gases hidrocarburos generados son transportados a la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono por efecto de la expansión, donde en presencia del catalizador de producción de nanotubos de carbono se da comienzo a la reacción de formación de 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 calentamiento del 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 para su enfriamiento y posterior remoción de productos o subproductos, según estos últimos se detallan más adelante. Dado lo anterior, una vez desacoplado el reactor (1 ), rápidamente se puede colocar otro reactor para realizar otra síntesis de nanotubos de carbono con otro medio de riel, ajusfando con el tablero de control (1 1 ), los medios actuadores (5) y (7) para repetir el proceso descrito anteriormente. Lo anterior, permite que el sistema sea simple en operación y pueda aprovechar al máximo la radiación solar durante el día para la producción de los nanotubos, sin tener que esperar que el reactor se enfrié (puede tardar varios minutos) como ocurre con las tecnologías del estado del arte.

Para asegurar el funcionamiento del reactor solar de dos zonas, una vez ingresado el medio de riel (1 .10) al reactor (1 ) y alcanzado las condiciones de temperatura de la manera descrita anteriormente, en la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa ocurren reacciones de degradación del plástico dando paso a la formación de subproductos sólidos incluyendo ceras compuestas de esteres de cadenas de carbono de 10-20 átomos de carbono, carbón amorfo Cx, coque; líquidos incluyendo aceites de cadena de 10-14 átomos de carbono, hidrocarburos tales como hexano, heptano, octano, entre otros; y gaseosos incluyendo metano, etano, propano, butano, entre otros. El uso de catalizador de pirólisis, mejora la selectividad de especies de menor masa molecular y en menor tiempo. Por otro lado, en la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, los nanotubos se generan por efecto de la temperatura cuando los gases de la zona de pirólisis son transportados a través del reactor, preferentemente un tubo reactor, a la superficie del catalizador de síntesis de nanotubos de carbono.

En la Figura 5, se observa la conexión a vacío (1 .1 1 ) del reactor solar (1 ), la cual permite que salga el aire del interior de las dos zonas. El aire en exceso tiene un efecto negativo, por una parte, hace que la materia carbonosa se convierta en dióxido de carbono y agua, compuestos que son difíciles de convertir en nanotubos (se necesitan condiciones especiales, presión y otro tipo de catalizadores). Por otro lado, si el catalizador de síntesis de nanotubos de carbono es un metal, este puede ser oxidado en presencia de oxígeno y calor, con esto el rendimiento puede ir desde 0-3% de nanotubos de carbono. El esquema de la Figura 5, presenta medio de paso, preferentemente una llave o válvula intermedia (1 .3), que puede estar en dos posiciones, abierta (contacto directo entre los gases y el catalizador de nanotubos) o cerrada de manera que se puede esperar a que una vez iniciada la pirólisis la llave pueda ser abierta, permitiendo saturar la zona (1 .2) de síntesis de nanotubos de carbono con los gases carbonosos provenientes de la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa. Esta separación de zonas depende del uso de al menos un catalizador y del tipo de catalizador, debido a que algunos son sensibles a envenenamiento, en especial de especies semipirolizadas incluyendo carbón amorfo, Cx, carbón coque. De la Figura 6, se puede observar el uso de medios de sello (3), los cuales deben resistir altas temperaturas y evitan la permeación de los gases producidos en la pirólisis hacia el exterior, lo que permite una buena catálisis en la producción de los nanotubos de carbono. Ejemplo de aplicación de la invención

Producción de nanotubos de carbono

Para ilustrar el funcionamiento del sistema, se utilizara un sistema de producción de nanotubos de carbono con un conjunto de dimensiones de acuerdo con los parámetros definidos en la Figura 1 , siendo estos: A1 = 2321 cm; B1 = 2640 cm; C1 = 2440 cm; D1 = 2000 cm; E1 = 170 cm; F1 = 1310 cm; G1 = 40 cm. Adicionalmente, se puede utilizar para esta combinación de parámetros, una profundidad de 1240 cm en el medio de soporte superior (2), de manera de incorporar lentes de Fresnel (6) cuadrados de 1 104 cm de lado.

Se prepara el reactor solar (1 ), mediante la limpieza de cada zona del reactor, la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, con acetona y por medio de un proceso mecánico-abrasivo, tal como una escobilla o hisopo metálico. Luego el reactor es colocado sobre el medio de soporte superior (2) apoyado en una base y anclado mediante pernos a dicha base. Posterior a esto, se conectan los diferentes sensores (temperatura y presión), accionando el tablero de control (1 1 ). Se coloca en la zona (2.1 ) del riel (1 .10) que conecta con la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa, 4 gr de una mezcla de polietileno de alta densidad/polipropileno sobre una cama de 0,2 gr de catalizador zeolita HZMS-5 comercial, y en la zona (2.2) del riel (1 .10) que conecta con la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, 0,6 gr de catalizador (mezcla de NíquehZeolita A-33, en una relación 2:1 ) para la producción de nanotubos. Una vez ingresado el riel (1 .10) dentro de dichas zonas del reactor (1 ), la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, mediante dicho tablero (1 1 ) se activa el sistema de seguimiento solar (foto-detector y electrónica) de manera de orientar dicho medio de soporte superior (2) en la dirección de mayor radiación solar con la ayuda del brazo actuador (10) y el conjunto medio de rodamiento-eje (9), posterior a esto, se accionan los actuadores (5) y (7) para el posicionamiento de los lentes de Fresnel (6), respecto de la base que sostiene el reactor solar (1 ) a una altura de 1700 cm, dando como resultado un radio de foco de luz (17) de 100 mm, sobre cada una de las zonas del reactor (1 ), la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono. Se deja precalentar los materiales precursores por un tiempo de 20 minutos a una temperatura de aproximadamente 480°C. Luego de este tiempo, los actuadores (5) y (7) para el posicionamiento de los lentes de Fresnel (6) son accionados mediante el tablero de control (1 1 ) para ajustar el foco de luz concentrada de los lentes (17) sobre cada una de las zonas del reactor (1 ), la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, a un radio de 75 mm. Bajo estas dimensiones y disposición de lentes de Fresnel (6) se genera una temperatura interna en cada una de las zonas del reactor (1 ), la zona (1 .1 ) de pirólisis de materia carbonosa y la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono, de aproximadamente 900°C, dando lugar a las reacciones de pirólisis de plástico y de formación de nanotubos de carbono. El tiempo de reacción requerido para la pirólisis del plástico y producción de nanotubos de carbono se fija a120 minutos. Una vez finalizado el tiempo de reacción se desenfocan los lentes y se deja enfriar el reactor para extraer los productos contenidos en el riel (1 .10).

Caracterización de productos obtenidos en el sistema de producción de nanotubos

La Figura 7 muestra un difractograma realizado a los productos solidos obtenidos en la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono del reactor (1 ). El patrón de difracción permite observar las especies cristalinas presentes en la muestra, en este caso se observa parte del catalizador de Níquel (picos 44.3°, 51 .7° y 76.2°) y óxido de níquel (pico 42.7°), así como la señal característica de los nanotubos de carbono (26.3°) [Bussarin Ksapabutr et al. Facile and Low-Cost Synthesis of Ni/NiO Catalyst by Microwave Plasma Method for Carbón Nanotubes Growth Using Plástic Waste as Carbón Source. Advanced Science Letters 19 (2013) 268-272].

En la Figura 8, se observa el espectro Raman realizado a los productos sólidos obtenidos en la zona (1 .2) de producción de nanotubos de carbono del reactor (1 ). El espectro muestra dos picos fuertemente acentuados a 1350 cm ^"1 y otro a 1570 cm ^"1 , que corresponden a la banda D y G respectivamente. Los resultados son resumidos en la Tabla 1 .

Tabla 1. Resumen de las bandas obtenidas por espectroscopia Raman.

La banda D está relacionada al desorden en la red de grafito mientras que la banda G, a la alta frecuencia del modo E _2g de primer orden de la estructura de grafito, cuya relación l _D /l _G es comúnmente empleada como indicador de la grafitización de los nanotubos de carbono. De esta manera, un índice l _D /l _G bajo es indicio de que existen pocos defectos en la red de carbono de las paredes de los nanotubos [Liliane Bokobza et al. Raman Spectra of Carbon-Based Materials (from Graphite to Carbón Black) and of Some Silicone Composites. Carbón 1 (2015) 77-94]. También se registran en el espectro otras bandas relacionadas con la cristalinidad, la relación l _G /l _D es sensible a la calidad general de la red cristalina de grafito y aumenta entre mayor sea la extensión superficial de esta. Tabla 2. Determinación de las razones entre bandas del espectro de la muestra evaluada.

Como se observa en la Tabla 2, el índice l _D /l _G (1 ,405) y l _G -/l _D (0,171 ) implican la presencia de una gran cantidad de defectos en la red de carbono [Liliane Bokobza et al. Raman Spectra of Carbon-Based Materials (from Graphite to Carbón Black) and of Some Silicone Composites. Carbón 1 (2015) 77-94]. La relación l _G /l _G (0,240) es indicio de que nos encontramos en presencia de la MWCNTs [Oxana V. Kharissova et al. Variations of interlayer spacing in carbón nanotubes. RSC Advances 4 (2014) 30807- 30815]. La ausencia de la banda RBM (100-300 cm ^"1 ) y la ausencia de la bifurcación de la banda G (1500-1700cm ^"1 ) corroboran la presencia de nanotubos de carbono de pared múltiple (por sus siglas en ingles MWCNTs) [John H. Lehman et. al. Evaluating the characteristics of multiwall carbón nanotubes. Carbón 49 (201 1 ) 2581 -2602]. Para constatar inmediatamente la presencia de nanotubos de carbono de pared múltiple en las muestras y observar su morfología, la Figura 9A-B muestra dos imágenes tomadas por microscopía electrónica de trasmisión. Las partículas oscuras que se observan en la imagen corresponden catalizador de níquel, el cual se encuentra afuera del nanotubo de carbono (sin reaccionar) y adentro del nanotubo de carbono (Figura 9A). En la Figura 9B, se muestra el acercamiento a un nanotubo de carbono de pared múltiple, este tiene un diámetro interno promedio de 37 nm y uno externo de 65 nm, dado que la distancia entre las capas de un nanotubo es en promedio 0,34 nm [John H. Lehman et. Al. Evaluating the characteristics of multiwall carbón nanotubes. Carbón 49 (201 1 ) 2581-2602], se puede indicar que los nanotubos obtenidos con sistema de reactor solar están conformados por aproximadamente 84 ± 3 paredes.