Desarrollo y caracterización de nuevos materiales adsorbentes: fabricación aditiva y evaluación energética de un prototipo funcional

Abstract

La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de soluciones desecantes sostenibles mediante el diseño de materiales compuestos, su procesado por tecnologías de fabricación aditiva y la evaluación experimental de los sistemas resultantes. El trabajo se centra en polímeros biodegradables, principalmente ácido poliláctico (PLA), reforzados con cargas orgánicas (madera) e inorgánicas (sílice y alúmina), formulados en filamentos aptos para extrusión de material (MEX). Los materiales fueron caracterizados mediante técnicas morfológicas, químicas, térmicas y mecánicas, incluyendo una evaluación tras exposición a humedad prolongada y ciclos de humedad y regeneración térmica. En todos los casos se observó un incremento de la capacidad de adsorción, aunque los compuestos con cargas inorgánicas mostraron una desorción más eficiente, conservando su capacidad de adsorción tras varios ciclos, sin una degradación significativa de sus propiedades mecánicas. Asimismo, se evaluó de forma sistemática la influencia de los parámetros de impresión sobre la porosidad y la capacidad de adsorción de los compuestos, demostrando que el control de estos parámetros permite aumentar la capacidad desecante. A nivel de sistema, se diseñó, fabricó y ensayó experimentalmente un prototipo de rueda desecante mediante MEX, cuyo rendimiento se comparó con una rueda desecante comercial recubierta de sílica gel. Los resultados experimentales evidenciaron que los prototipos desarrollados presentan una buena capacidad de deshumidificación, elevada eficiencia energética, y una desorción de humedad eficiente a bajas temperaturas de regeneración. Por tanto, se facilita su integración con fuentes de energía renovables de baja temperatura, como la solar térmica, biomasa o el calor residual. En conjunto, los resultados confirman la viabilidad de combinar materiales poliméricos biodegradables con cargas orgánicas e inorgánicas en sistemas desecantes fabricados por impresión 3D, abriendo el camino hacia equipos modulares, eficientes y sostenibles para aplicaciones de climatización y procesos industriales donde se requiera un exhaustivo control de la humedad ambiental.

This doctoral thesis addresses the development of sustainable desiccant solutions through the design of composite materials, their processing by additive manufacturing technologies, and the experimental evaluation of the resulting systems. The research focuses on biodegradable polymers, primarily polylactic acid (PLA), reinforced with organic (wood) and inorganic (silica and alumina) fillers, formulated into filaments suitable for material extrusion (MEX). The materials were characterised using morphological, chemical, thermal, and mechanical techniques, including an evaluation after prolonged exposure to moisture and through humidity/regeneration cycles. In all cases, an increase in adsorption capacity was observed, although composites with inorganic fillers exhibited more efficient desorption while maintaining their adsorption capacity after several cycles, without significant degradation of their mechanical properties. Furthermore, the systematic evaluation of printing parameters revealed their influence on porosity and adsorption capacity, demonstrating that appropriate control of these parameters enhances the desiccant performance of the composites. At the system level, a desiccant wheel prototype was designed, manufactured, and experimentally tested using MEX, with its performance compared against a commercial silica gel-coated desiccant wheel. The experimental results demonstrated that the developed prototypes exhibit a high dehumidification capacity, elevated energy efficiency, and efficient moisture desorption at low regeneration temperatures. Consequently, their integration with low-temperature renewable energy sources, such as solar thermal energy, biomass, or waste heat, is facilitated. Overall, the findings confirm the feasibility of combining biodegradable polymeric matrices with organic and inorganic fillers in desiccant systems produced by 3D printing, paving the way for modular, efficient, and sustainable equipment for air-conditioning and industrial processes where stringent control of ambient humidity is required.