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IQ‐ 2008‐I‐16
TAMICES MOLECULARES: EXPLORACION PARA LA SINTESIS Y SEPARACION DE UNA MEZCLA ETANOL- AGUA
JUAN CAMILO DIAZ ARGUELLES
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
JUNIO DE 2008
IQ‐ 2008‐I‐16
TAMICES MOLECULARES: EXPLORACION PARA LA SINTESIS Y SEPARACION DE UNA MEZCLA ETANOL- AGUA
JUAN CAMILO DIAZ ARGUELLES
Proyecto de grado
Asesor: Iván Darío Gil Chaves
Coasesor: Juan Carlos Moreno Pirajan
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
JUNIO DE 2008
IQ‐ 2008‐I‐16
“Este trabajo se lo dedico a mis padres,
a María Ximena, a Julián, a Sebastián y a Shebi
quienes siempre creyeron en mí, en mis capacidades
y me apoyaron cuando mas los necesité.
Gracias”
IQ‐ 2008‐I‐16
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos:
A Ivan Gil y Juan Carlos Moreno. Por su paciencia y sus valiosos aportes al proyecto;
sin su buena y oportuna asesoría, no hubiese sido posible obtener tan buenos
resultados.
Al grupo de investigación de sólidos porosos; Vanessa, Andrés, Diego, Diana y
Giovanny. Por ayudarme, aconsejarme y aguantarme a lo largo de esas largas tardes
de experimentación en el laboratorio.
A alfa productos químicos ltda. Por haberme suministrado gratuitamente el aluminato
de sodio usado a lo largo de este proyecto.
A Luis Fernando y a Verónica. Por haber realizado un excelente trabajo con los
difractogramas.
A José María, Luz Dary y Sonia. Por ayudarme con el Karl-Fischer y por prestarme los
instrumentos del laboratorio cuando los necesité.
A mis amigos. Por apoyarme, por darme animo y por ayudarme a despejar y a olvidar
todos los problemas que surgieron a lo largo de este trabajo.
A mi grupo de plantas. Por tenerme paciencia cuando les entregaba tarde mi parte por
estar trabajando en el proyecto de grado.
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TABLA DE CONTENIDO
pág.
1. INTRODUCCION ..............................................................................................................................9
2. OBJETIVOS......................................................................................................................................11
2.1. Objetivo General................................................................................................. 11
2.1. Objetivos Específicos ......................................................................................... 11
3. MARCO TEORICO ..........................................................................................................................12
3.1 Alcohol Carburante ............................................................................................... 12
3.2. Producción de alcohol carburante en Colombia ................................................. 13
3.1.2 Situación global, Brasil, Estados Unidos y la Unión Europea ............................15
3.2. Tecnologías de deshidratación de Etanol........................................................... 18
3.2.1 Destilación Azeotrópica...................................................................................................19
3.2.2 Destilación extractiva.......................................................................................................21
3.2.3 Membranas de pervaporación ......................................................................................23
3.2.4 Adsorción con Tamices moleculares ..........................................................................25
3.2.5 Análisis comparativo de las tecnologías de deshidratación................................26
3.3. Adsorción ............................................................................................................. 28
3.4. Zeolitas................................................................................................................ 31
3.4.1 Características generales...............................................................................................31
3.4.2 Estructura de los poros. ..................................................................................................33
3.4.3 Tamaño de poro efectivo ................................................................................................33
3.4.4 Preparación zeolitas .........................................................................................................34
3.5. Base Teórica del Protocolo Experimental........................................................... 35
4. MATERIALES Y METODOS USADOS PARA LA SINTESIS DEL TAMIZ MOLECULAR .........................................................................................................................................38
4.1 Síntesis del tamiz molecular................................................................................. 38
4.2. Determinación de la capacidad de adsorción de los tamices moleculares....... 41
5. RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................43
5.5. Variaciones sobre la relación SiO2/Al2O3............................................................. 52
5.6. Variaciones sobre la cantidad de promotor (NaOH). .......................................... 54
6. CONCLUSIONES.............................................................................................................................58
7. RECOMENDACIONES ..................................................................................................................60
BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................................61
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LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Posibles Complejos Alcoholeros según la UPME ....................................................14
Tabla 2. Zeolitas Comerciales .........................................................................................................34
Tabla 3. Relaciones molares de los reactivos ............................................................................36
Tabla 4. Composición molar de las mezclas preparadas ........................................................38
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1. Definición del porcentaje de cristalinidad [19].....................................................39
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Producción y proyecciones de la producción de etanol en Estados Unidos ..16
Figura 2. Producción Europea de Etanol en el 2006 ...............................................................17
Figura 3 Producción y consumo de Etanol en la Unión Europea en el 2005....................18
Figura 4. Esquema de una Destilación Azeotrópica para la mezcla Etanol-Agua ........21
Figura 5. Esquema de una Destilación Extractiva para la mezcla Etanol-Agua ............23
Figura 6. Esquema de una separación por membranas de pervaporación para la
mezcla Etanol-Agua ............................................................................................................................25
Figura 7. Esquema de una separación por tamices moleculares para la mezcla Etanol-
Agua .........................................................................................................................................................26
Figura 8. Diferentes tipos de isotermas de adsorción según la IUPAC .............................30
Figura 9. Esquema de una Zeolita A ............................................................................................32
Figura 10. Esquema resumido de la preparación de la Zeolita .............................................36
Figura 11. Preparación de la semilla fuente recomendad en ................................................37
Figura 12. Difractograma teórico de una zeolita A ....................................................................40
Figura 13. Montaje experimental usado en la determinación de la capacidad de
adsorción de los tamices ....................................................................................................................42
Figura 14. Difractograma de rayos X para la muestra 1 ..........................................................43
Figura 15. Difractograma de rayos X de la muestra 2 ..............................................................44
Figura 16. Difractograma de rayos X de la muestra 3 ..............................................................45
Figura 17. Microscopia electrónica de barrido del tamiz obtenido a partir de la muestra
3 (Aumento de 2000X) ........................................................................................................................46
Figura 18. Microscopia electrónica de barrido del tamiz obtenido A) Aumento de
25000X, B) Aumento de 29000X .....................................................................................................47
Figura 19. Microscopia electrónica de barrido teórica de una Zeolita A ............................47
Figura 20. Microscopia electrónica de barrido del tamiz obtenido (Aumento de 10000X)
.....................................................................................................................................................................48
Figura 21. Isoterma de adsorción de nitrógeno para el tamiz obtenido en la muestra 3
.....................................................................................................................................................................49
Figura 22. Distribución de poro del tamiz sintetizado en la muestra 3................................50
Figura 23. Curva de Adsorción para la zeolita obtenida en la muestra 3...........................51
Figura 24. Curva de Adsorción para una relación de 0,11 gramos de agua por gramo
del tamiz obtenido en la muestra 3 .................................................................................................52
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Figura 25. DRX de las muestras a las que se le varió la relación óxido de silicio/óxido
de aluminio ..............................................................................................................................................53
Figura 26. Curvas de adsorción de las muestras 3, 6 y 7 .......................................................53
Figura 27. DRX, de las muestras a las que se les varió la cantidad NaOH. .....................54
Figura 28. Curvas de adsorción de las muestras 3, 8 y 9 .......................................................55
Figura 29. Comparación de los difractogramas de las muestras 3, 4 y 5 ..........................56
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1. INTRODUCCION
La inevitable disminución del petróleo y la gran cantidad de emisiones gaseosas
tóxicas, provenientes de los motores, producen un sinnúmero de enfermedades y
contribuyen con el calentamiento global del planeta; lo anterior ha hecho necesaria la
investigación y uso de energías alternas renovables con el fin de dar solución a estos
problemas.
Con el fin de contribuir a la solución de estos problemas, además de encontrar una
nueva actividad industrial que permita a Colombia mejorar su situación económica se
promulgó la ley 693 de 2001, la cual estableció que en septiembre del año 2005, las
ciudades con más de 500 mil habitantes, como Bogotá, Cali, Medellín y Barranquilla,
deberían utilizar gasolina mezclada con un 10% de Alcohol carburante [1].
Obtener etanol de alta pureza posee un gran inconveniente que es la presencia de un
azeótropo a una temperatura de 78.15°C y una presión de 1 atm para una mezcla de
etanol-agua, razón por la cual no es posible usar la destilación tradicional. Para llevar
a cabo la obtención de éste con un alto grado de pureza (cercano al 100%) la
operación más utilizada actualmente es la destilación azeotrópica, sin embrago el
consumo energético de esta operación es significativamente grande, además implica
la adición y posterior separación de un agente de separación, lo cual aumenta los
costos del proceso.
Estas razones han hecho que los investigadores busquen alternativas en otros
procesos de separación como la destilación extractiva, separación por membranas de
pervaporación entre otros. Sin embargo la adsorción puede proveer una solución más
sencilla mediante el uso de tamices moleculares, los cuales tienen entre sus ventajas
el alto grado de deshidratación, el bajo consumo energético, la durabilidad del lecho y
la ausencia de emisiones nocivas para el medio ambiente [2].
Desde este punto de vista se cree que el uso de una columna de adsorción empacada
con tamices moleculares puede separar eficazmente la mezcla de manera
relativamente sencilla a partir de una propiedad física como lo es el diámetro
molecular. El cual se reporta en la bibliografía como 4.4 Ǻ y 2.8 Ǻ para el etanol y el
agua respectivamente. Debido a esto se hace necesario pues, buscar formas de
caracterización y preparación del tamiz con el fin de corroborar o no esta hipótesis
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para en posteriores trabajos investigar acerca de los métodos industriales de
producción y de implementación de este producto.
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2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
• Sintetizar un tamiz molecular que permita ser aplicado en la separación de una
mezcla binaria.
2.1. Objetivos Específicos
• Elaborar un protocolo experimental para la elaboración del tamiz molecular
• Caracterizar el tamiz molecular obtenido.
• Aplicar el tamiz molecular a la separación de una mezcla etanol-agua
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3. MARCO TEORICO
3.1 Alcohol Carburante
Alcohol carburante es el término que se le da a cualquier alcohol que se mezcla con la
gasolina con el fin de aumentar el octanaje de ésta y disminuir las emisiones de
sustancias tóxicas de los motores. Este alcohol que se adiciona es el etanol. El etanol
adicionado debe tener una alta pureza, es decir que el contenido de agua debe ser
mínimo con el fin de evitar problemas de corrosión dentro del motor, así mismo como
la formación de dos fases disminuyendo la eficiencia de la combustión.
Se ha especulado mucho acerca de los beneficios del alcohol carburante; incluso se
han dicho cosas como que el uso de este alcohol aumenta la temperatura del vehículo
y las emisiones de oxido de nitrógeno.
El problema del recalentamiento del vehículo no es exclusivo para el alcohol
carburante, éste también sucede en vehículos que operan solo con gasolina y se debe
principalmente a que el carro no está bien sincronizado. Para que un motor de un
vehículo opere de manera normal, el combustible debe entrar en forma de vapor a la
cámara de combustión. Esta cámara es el sitio donde se produce la quema del
combustible con el aire para lo cual es fundamental que el carburador y el motor estén
debidamente sincronizados.
Acerca de las emisiones de Oxido de Nitrógeno es necesario aclarar que esto puede
ocurrir en la medida en que a los vehículos no se les realicen los respectivos ajustes a
la relación aire-combustible, para lo cual es igualmente necesaria la sincronización del
motor. Una mezcla del 10% de etanol y 90% gasolina, contiene 3,5% de oxígeno más,
que cuando se utiliza sólo gasolina. Lo anterior implica que la mezcla al contener
mayor cantidad de oxígeno, requerirá menos aire para la combustión completa. Esto
es bueno, por cuanto el aire es el que contiene nitrógeno, y entre más se reduzca el
volumen de éste, y se ajuste la cantidad de combustible, menos opción hay de que se
formen óxidos de nitrógeno. Lo anterior se consigue con la sincronización, de lo
contrario, el motor queda operando con una mezcla de aire y combustible no ideal, que
puede incrementar la temperatura de éste y como consecuencia las emisiones de
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óxidos de nitrógeno. De acuerdo a esto, la solución es sencilla, y debe ser una práctica
que todo conductor debe ya tener, cuando lleva el carro al mantenimiento periódico
preventivo, el mecánico debe sincronizar el motor y hacer los ajustes de aire y
combustible [3].
3.2. Producción de alcohol carburante en Colombia
Actualmente en la ley 693 de 2001 regula el tema de los biocombustibles en Colombia,
en ésta, se dictan normas sobre el uso de alcoholes carburantes, se crean estímulos
para su producción, comercialización y consumo, y se dictan otras disposiciones.
Dentro de esta ley cabe mencionar el hecho de que la gasolina consumida en
ciudades y poblaciones con más de 500.000 habitantes deben contener compuestos
oxigenados como el alcohol carburante; el porcentaje de estos compuestos
mencionados será de acuerdo con la reglamentación sobre control de emisiones
derivadas del uso de estos combustibles y los requerimientos de saneamiento
ambiental que establezca el Ministerio del Medio Ambiente para cada región del país.
En cuanto a la producción, distribución y comercialización de los alcoholes
carburantes, el gobierno le permite a cualquier persona (natural o jurídica) participar en
esta naciente industria. En síntesis, según esta ley, “El uso de Etanol en las gasolinas
y en combustible Diesel contribuye al saneamiento ambiental de las áreas en donde
no se cumplen los estándares de calidad, en la autosuficiencia energética del país y
como dinamizador de la producción agropecuaria y del empleo productivo, tanto
agrícola como industrial.” (Ley 693 de 2001, Articulo 3).
Según la unidad de planeación minero energética (UPME) el 10% de etanol
adicionado a la gasolina y al diesel implicaría una demanda de 700 millones de litros al
año de etanol; la caña de azúcar necesaria para producir semejante cantidad de
alcohol será suministrada por más de 150 mil hectáreas de cultivo, distribuidas en las
regiones de Costa Norte, Antioquia, Cundinamarca, Hoya del río Suárez (Boyacá y
Santander), Llanos Orientales, Valle del Cauca, Eje Cafetero, Huila y Nariño. A partir
de la relación beneficio-costo, que señala la conveniencia de producir alcohol
internamente en lugar de comprarlo en el exterior, las regiones mencionadas
anteriormente tendrían complejos alcoholeros destinados a la producción de alcohol
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carburante. La capacidad de estos complejos en su respectiva región, se encuentra
estimada en la siguiente tabla:
Región Capacidad (L/día) Materia Prima
Hoya del Río Suárez 300 000 Caña de Azúcar
Antioquia 350 000 Caña de Azúcar
Valle del Cauca 300 000 Caña de Azúcar Costa Norte 300 000 Caña de Azúcar – Yuca
Cundinamarca 150 000 Caña de Azúcar Llanos Orientales 100 000 Caña de Azúcar – Yuca
Eje Cafetero 250 000 Caña de Azúcar
Huila 200 000 Caña de Azúcar
Nariño 150 000 Caña de Azúcar
Tabla 1. Posibles Complejos Alcoholeros según la UPME [4]
En el contexto internacional las posibilidades del alcohol carburante son grandes.
Como es de conocimiento público, muchos países se han dado a la tarea de explorar
nuevas fuentes de energía renovable para controlar sus niveles de contaminación y
reducir la fuerte dependencia del petróleo. A la luz de esta perspectiva, conviene
analizar cuáles pueden ser las alternativas que se le presentan al país en este nuevo
proyecto y hasta dónde se pueden aprovechar las posibilidades actuales y futuras en
el mercado del alcohol. Debe tenerse en cuenta que con la firma de acuerdos de libre
comercio como los que se han firmado entre la Comunidad Andina y el MERCOSUR y
como el que se ha intentado firmar con los Estados Unidos, se le brindan al país
importantes oportunidades a nivel externo. No obstante, el aprovechamiento de los
beneficios que puedan reportarle al país estos tratados, están supeditados a múltiples
limitaciones e impedimentos que conviene analizar; dentro de estas limitaciones están
la capacidad de exportación que tenga el país después de satisfacer su demanda
interna, la cual crece ostensiblemente cada año; por otra parte, el alcohol carburante
no fue incluido en el tratado de MERCOSUR como producto que se pueda
comercializar, y dado el caso que se pudiera introducir, el país tendría que entrar a
competir con Brasil [5].
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3.1.2 Situación global, Brasil, Estados Unidos y la Unión Europea
La utilización del alcohol carburante toma fuerza en la década de los 70 debido a la
crisis del petróleo, razón por la cual países como Suecia, Gran Bretaña y Brasil
comienzan a emplearlo. Este último lo introdujo como combustible; animado por la
crisis del petróleo y por el conflicto árabe-israelí, que incrementó los precios a más de
36 dólares el barril. Brasil que dependía en gran medida del petróleo importado
implementó un programa en el que se decidió mezclarle alcohol a la gasolina; este
programa posibilitó la creación de Proalcohol (Programa Nacional de Alcohol). Esta institución es de tal importancia en dicho país que es la que determina cada año los
niveles de producción de alcohol. Dicha decisión se conoce por un decreto del
gobierno nacional en la que intervienen el Comité Interministerial del Alcohol,
constituido por el Ministro de Agricultura, el Ministro de Finanzas, el Ministro de Minas
y Energía y el Ministro de Desarrollo Industrial y Comercio. En la actualidad de los
cerca de 20 millones de automóviles con los que cuenta Brasil, 3 millones son movidos
totalmente por alcohol y los restantes 17 millones utilizan una mezcla de gasolina con
un 24% de alcohol. Brasil se ha posesionado como el primer productor y exportador
mundial de alcohol carburante, con los costes de producción más bajos: esto se debe
a su clima tropical, el cual le da la posibilidad de cultivar la caña de azúcar sin la
necesidad de regadíos; no incurre en costo de energía para el proceso industrial,
debido a que se obtiene de la combustión del bagazo de la caña; sumado a lo anterior,
una estructura tecnológica eficiente y, por último, los bajos costes laborales. Estas
condiciones, le permitieron producir en el 2005, el alcohol a 19 centavos de dólar por
litro; mientras que en Estados Unidos y en Europa, costó 33 y 55 centavos por litro
respectivamente [5].
En cuanto a Estados Unidos, el etanol no se produce a partir de caña de azúcar, sino
que se obtiene a través del maíz, por medio de un proceso similar; la importancia del
etanol en el mercado estadounidense radica en que ha disminuido en gran parte la
dependencia hacia medio Oriente sobre el suministro de gasolina y derivados del
petróleo, actualmente cerca del 50% de toda la gasolina en Estados unidos se mezcla
con etanol, lo anterior generó que en el 2006 la producción de etanol alcanzó un
incremento del 25%, de acuerdo a la RFA (Renewable Fuels Association) llegando a
cerca de 5 billones de galones etanol, sin embargo la demanda para ese mismo año
excedió la producción en un 11%, razón por la cual el mercado norteamericano se vio
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en la necesidad de importar cerca de 653 millones de galones, de los cuales las dos
terceras partes provenían de Brasil; para evitar la necesidad de seguir importando el
etanol, actualmente existen 114 plantas de producción con una capacidad total de 5.6
billones de galones de etanol por año, además de esto se están construyendo cerca
de 78 instalaciones más, con el fin de que la capacidad total sea mayor a 6 billones de
galones [6].
A continuación en la Figura 1 se muestran los datos actuales (2007) y algunas
proyecciones acerca de la producción de etanol en Estados Unidos [7].
Figura 1. Producción y proyecciones de la producción de etanol en Estados Unidos [7]
La unión europea también ha entrado a esta nueva era de biocombustibles, en el 2006
la producción de etanol carburante se incrementó en un 71% llegando a los 1.56
billones de litros de acuerdo a la eBio (European Bioethanol Fuel Association).
Esta producción sin antecedentes en el viejo continente fue liderada por Alemania
cuya producción correspondió al 27% del total europeo, seguida por España y Francia,
cuyas producciones fueron 26% y 16% respectivamente. A continuación se muestra el
grafico de la producción europea para el 2006 [8].
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Figura 2. Producción Europea de Etanol en el 2006 [8]
El incremento del 70% en el último año se debe principalmente a tres razones, la
primera es el aumento en la producción de Francia gracias al apoyo del gobierno, la
segunda fue la crisis en la destilación del vino aumentó el volumen de etanol producido
a través de este recurso y la tercera es gracias al aumento en la capacidad de
producción de Alemania.
Aunque la producción aumentó severamente, existen grandes diferencias entre lo que
los países miembros producen y lo que consumen, así según el siguiente grafico,
países como Suecia, Reino Unido y Alemania consumen mucho más de lo que
producen, y por ende son grandes mercados de importación, por otra parte, países
como España son mercados de exportación.
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Produccion y Consumo de Etanol por País (2005)
0
80
160
240
320
España Suecia Alemania Francia Polonia Lituania Latvia Holanda It alia Finlandia ReinoUnido
Producción Consumo
Figura 3 Producción y consumo de Etanol en la Unión Europea en el 2005 [9]
Sin embrago, aunque la producción europea es bastante modesta comparada con la
de Estados Unidos y Brasil, la meta es diferente; mientras que los dos últimos
compiten por ser el mayor productor mundial de etanol, para tener así una posición
ventajosa en el mercado global, la meta de la Unión Europea es garantizarse a sí
misma el suministro del alcohol y reducir su dependencia de estos dos gigantes.
A pesar de que la meta es bastante diferente igualmente está lejos de alcanzar pues
son muy pocos los países miembros que han cumplido las expectativas de producción
fijadas para el año, debido a esto, el objetivo aun está lejos de alcanzar y la
dependencia hacia otros mercados sigue siendo difícil de eliminar [9].
3.2. Tecnologías de deshidratación de Etanol
Debido a la creciente demanda de etanol carburante en el mundo de la cual se ha
hablado anteriormente, se han desarrollado diferentes tipos de procesos en la industria
para llevar a cabo este objetivo. A continuación se presenta una introducción a estos
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métodos y se enumeran las ventajas y desventajas de cada uno; dentro de los
métodos más usados y conocidos se tienen la destilación azeotrópica o extractiva, la
separación por membranas de pervaporación. La separación por tamices moleculares
es una nueva alternativa, siendo esta el tema de mayor importancia en el presente
trabajo
3.2.1 Destilación Azeotrópica
La destilación azeotrópica puede ser de dos formas, homogénea o heterogénea, la
primera consiste en adicionar un agente de separación másico que forma un
azeótropo de máxima o mínima temperatura de ebullición con uno más componentes
de la alimentación; el agente de separación puede ser añadido cerca de la cima o de
la parte baja de la torre, dependiendo por donde se remueva el azeótropo, es decir por
la parte superior o inferior de la torre.
Por otra parte, en la destilación azeotrópica heterogénea el agente de separación
forma un azeótropo heterogéneo de mínima temperatura de ebullición. Este azeótropo
se separa en dos fases liquidas en la corriente que sale del condensador, una de estas
corrientes se devuelve a la columna como reflujo, mientras que la otra se manda a otro
proceso de separación o se almacena como producto.
Sin embargo uno de los requerimientos de la destilación homogénea es que los
componentes de la mezcla de alimento estén en la misma región de destilación que el
agente de separación en un diagrama de equilibrio, por esta razón es bastante
complicado encontrar un agente de separación viable para este proceso de
separación. A nivel industrial es más utilizada la destilación azeotrópica heterogénea;
en éste proceso se separan mezclas binarias con puntos de ebullición cercanos y con
formación de azeótropos de mínima temperatura a través de agentes másicos de
separación que formen azeótropos heterogéneos binarios o terciarios. En un
azeótropo la fase liquida tiene la misma composición que la fase de vapor, en el caso de una azeótropo heterogéneo ocurre lo mismo, pero cada una de las fases liquidas o
gaseosas tendrán diferentes composiciones entre sí, así cuando el vapor que entra al
condensador salga, éste formara dos o más fases liquidas que se separarán en un
decantador, la fase rica en el agente de separación se devolverá a la torre a manera
de reflujo y la otra saldrá del proceso. En el caso de la mezcla etanol-agua, algunos de
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los agentes de separación más usados, dentro de un amplio rango de escogencias,
son el benceno y el dietil-éter [10].
El problema en el caso del mezcla etanol agua es que gran parte de lo solventes son
peligrosos o tóxicos, por ejemplo, el benceno es reconocido por ser cancerígeno, por
otra parte el componente a desear debería ser aquel que esté en menor composición
con el fin de disminuir los requerimientos energéticos del proceso; el agente de
separación debe ser económico, altamente disponible, químicamente estable e
inactivo con respecto a la mezcla a separar, no tóxico, de bajo calor latente de
vaporización, de baja viscosidad con el fin de tener mayores eficiencias de plato y por
último un bajo punto de congelamiento con el fin facilitar su manejo y almacenamiento
[11].
El sistema de destilación azeotrópica consta de tres columnas, la primera sirve para
concentrar la solución a separar hasta un punto cercano al azeotrópico. La segunda es
conocida como columna deshidratadora; en ésta columna se alimenta el agente de
separación. En el caso de la mezcla etanol-agua, esta columna permite obtener como
producto de cima un azeótropo heterogéneo que arrastra el agua y que se condensa
para llevarlo luego a un decantador, en el cual se produce la separación de las fases y
se hace la reposición del agente de separación. Como productos de fondos de esta
columna se obtendría el etanol anhidro. La tercera columna es la recuperadora; esta
columna se alimenta con la fase acuosa del azeótropo formado en la etapa anterior,
con el fin de retirar el solvente remanente y devolverlo a la columna de deshidratación
[12]. El diagrama generalizado de este proceso se presenta en la Figura 4.
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Col
umna
Des
hidr
atad
ora
Etanol
AguaEnfriamiento
Vapor
Decantador
Solvente
AguaEnfriamiento
Etanol Anhidro
Vapor
Agua
AguaEnfriamiento
Solvente
Col
umna
Rec
uper
ador
a
Figura 4. Esquema de una Destilación Azeotrópica para la mezcla Etanol-Agua [12]
3.2.2 Destilación extractiva.
La destilación extractiva es un proceso de separación usado principalmente para
mezclas con azeótropos y cuyos componentes clave tienen una volatilidad relativa por debajo de 1.1 en un amplio rango de concentraciones.
En los casos en que la mezcla presenta un azeótropo de mínima temperatura de
ebullición, se necesita un solvente con volatilidad menor a la de los componentes clave
de la mezcla, este solvente o agente de separación, se añade en un plato por encima
del plato de alimentación y por debajo de la cima de la columna con el fin de, primero,
que el solvente esté presente en la corriente liquida que desciende al fondo de la
columna y segundo, con el fin de que una pequeña porción del solvente sea arrastrado
por el vapor ascendente. Por otra parte, si el alimento tiene un azeótropo de máxima
temperatura, el solvente entra a la columna junto con el alimento; los componentes del
alimento deben tener afinidades diferentes con el solvente para que este cause un
incremento en la volatilidad de los componentes clave, a tal punto que la separación
sea factible y del menor costo posible. El solvente no debe formar azeótropos con
ninguno de los componentes de la mezcla y por lo general se añade en una relación
1:1 con la alimentación [10].
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La selección del solvente implica un estudio para determinar su efectividad, la cual
básicamente se basa en las modificaciones que este produce sobre las no idealidades
de la fase liquida de los componentes a separar. En sí, el proceso se hace factible
cuando el solvente altera de manera selectiva los coeficientes de actividad de las
sustancias implicadas, para que esto ocurra es necesaria una alta concentración del
solvente [12].
La mayoría de solventes aptos para la destilación extractiva son líquidos con gran
cantidad de enlaces de hidrógeno (altamente hidrogenados), tales como el agua,
amino-alcoholes, amidas, y fenoles que formen redes tridimensionales con enlaces
fuertes de hidrógeno, por otra parte los alcoholes, ácidos, fenoles y aminas que estén
compuestos de moléculas con átomos donadores (oxígeno, nitrógeno, etc.) y átomos
de hidrogeno, también son aptos para este proceso, sin embargo algo que se debe
tener claro es que en general, es económicamente muy difícil separar compuestos con
grupos funcionales iguales o similares [10].
Un equipo de destilación extractiva típico consta de una columna extractiva con doble
alimentación y una columna de recuperación del solvente, a la que debido al alto punto
de ebullición del solvente a recuperar se le debe adecuar un sistema de vacío. El
producto que se recoge en la corriente del destilado es de alta pureza, mientras que la
corriente que sale de los fondos de la columna contiene gran cantidad de solvente;
esta corriente se envía a la columna de recuperación, donde el producto que sale en
los destilados corresponde a los compuestos que se separaron del más puro en la
primera parte, mientras que la corriente que sale de los fondos es rica en solvente,
esta corriente será luego recirculada a la columna extractiva [12]. El esquema anterior
se muestra en la Figura 5.
IQ‐ 2008‐I‐16
Col
umna
Des
hidr
atad
ora
Etanol
AguaEnfriamiento
Vapor
Vapor de Escape
AguaEnfriamiento
Col
umna
Rec
uper
ador
a
Etanol Anhidro
BombaVacio
Agua
Etanol
Solvente
Figura 5. Esquema de una Destilación Extractiva para la mezcla Etanol-Agua [12]
3.2.3 Membranas de pervaporación
En los procesos de pervaporación, el estado de la fase a un lado de la membrana es
diferente a la del otro lado. El alimento a la membrana es una mezcla liquida a una
presión tal que se mantenga el estado de la fase a medida que a esta se le retiran las
especies deseadas para producir el retenido (lo que retiene la membrana). La
membrana usada debe ser tal que sea selectiva para una determinada sustancia del
alimento, mientras que el resto deben tener permeabilidad finita en esta, el retenido es
entonces enriquecido en aquellas sustancias con permeabilidad finita. Generalmente
en este proceso no se usa un liquido de arrastre, pero sí al otro lado de la membrana,
la presión es tal que el permeado (lo que sale de la membrana) esté por debajo de su
punto de rocío, haciéndolo vapor; el permeado, es entonces enriquecido en la
sustancia para la cual la membrana es selectiva. De todas maneras, la permeabilidad
de las sustancias involucradas depende de su solubilidad y de las velocidades de
difusión en la membrana.
IQ‐ 2008‐I‐16
La pervaporación se aplica de mejor manera cuando la alimentación es diluida con
respecto al permeado principal (aquel que se quiere retirar de la mezcla) debido a que
el calor sensible de la alimentación es el que suministra la entalpía de vaporización de
éste. Por ejemplo, si la mezcla está concentrada en el permeado principal se
necesitara múltiples etapas que producen una poca cantidad de permeado y por ende
se hará necesario el calentamiento del retenido en cada etapa. Para el caso de la
mezcla etanol-agua, mediante este proceso se obtiene un retenido de 99.5 %peso de
etanol y un permeado de 25 %peso de la misma sustancia, el permeado puede ser
introducido de nuevo a una columna de destilación para así seguir produciendo una
mezcla rica en etanol e introducirla nuevamente al proceso de pervaporación y no
desperdiciar la materia prima.
La selección de la membrana es crucial en los procesos de pervaporación cuando se
usan compuestos orgánicos, por ejemplo si la sustancia a permear es agua, la
membrana debe ser hidrofílica, para el caso de la mezcla etanol-agua, la membrana
es una combinación entre el poliéster poroso y el PVA de alta densidad, este
compuesto combina una muy buena estabilidad química y térmica con una
permeabilidad adecuada. En los casos en que el permeado es rico en especies
orgánicas, se emplean membranas hidrofóbicas, siendo las de teflón unas de las más
usadas industrialmente [10].
Para una separación de etanol-agua, el proceso generalizado se muestra a
continuación.
IQ‐ 2008‐I‐16
MO
DU
LO 1
MO
DU
LO 2
De la Torre de Destilación
MO
DU
LO 3
MO
DU
LO 4
MO
DU
LO 5
MO
DU
LO 6
MO
DU
LO 7
MO
DU
LO 8
MO
DU
LO 9
Etanol Anhidro
Figura 6. Esquema de una separación por membranas de pervaporación para la mezcla Etanol-Agua [12]
3.2.4 Adsorción con Tamices moleculares
Básicamente los tamices moleculares son materiales porosos tales como ciertos tipos
de zeolitas sintéticas y aluminosilicatos. Los cuales forman túneles dentro de su red
cristalina que pueden adsorber diferentes sustancias; el diámetro de estos túneles o
pasajes (el cual depende de la composición de la estructura cristalina) determina el
tamaño de las moléculas que pueden pasar a través de estos. Basado en lo anterior
es posible afirmar que los tamices moleculares separan de acuerdo al tamaño de las
moléculas, sin embargo también separan a través del fenómeno de la adsorción, de
acuerdo a la polaridad de las especies involucradas y al grado de instauración.
Industrialmente se encuentran cerca de nueve tipos de tamices moleculares, con
diámetros nominales de poros que van desde 3 a 10 angstrom, la forma de estos va
desde pellets hasta polvos.
Los tamices moleculares son comúnmente usados en la deshidratación de gases y
líquidos, separación de mezclas liquidas o gaseosas de hidrocarburos y en un
sinnúmero de procesos; por lo general los tamices son regenerados por calentamiento
o desorción [11].
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El proceso de separación por tamices moleculares puede operar en fase liquida o
vapor. En la operación en fase liquida se utiliza gas caliente para la regeneración del
lecho del tamiz, lo que conduce a un deterioro acelerado del tamiz a causa del choque
térmico.
La operación en fase de vapor permite alargar la vida promedio del tamiz ya que la
regeneración se hace recirculando parte de los vapores de la sustancia de interés
sobre lecho, con el fin de retirar los rastros de sustancia separada acumulados [12].
El esquema generalizado de un proceso de separación de etanol-agua se muestra en
la figura 7.
Col
umna
Des
poja
dora
AguaEnfriamiento
Vinaza
Col
umna
Rec
tific
ador
a
Agua
Vapor
Decantador
AguaEnfriamiento
Agua
Vapor
Des
hidr
atac
ión
(Alta
Pre
sión
)
Rege
nera
ción
(Baj
a Pr
esió
n)
BombaVacio
AguaEnfriamiento
AguaEnfriamiento
Etanol Anhidro
Figura 7. Esquema de una separación por tamices moleculares para la mezcla Etanol-Agua [12]
3.2.5 Análisis comparativo de las tecnologías de deshidratación
En general, es cierto que añadir substancias extrañas a la mezcla de alimentación
tales como un agente másico de separación es indeseable, ya que este nunca va ser
completamente removido de los productos, haciendo que a estos se les añada cierto
grado de impureza no previsto. Por otra parte, existen perdidas inevitables del agente
de separación, las cuales pueden ser muy grandes si se tiene en cuenta que para
procesos como la destilación extractiva y azeotrópica, la relación solvente/alimentación
IQ‐ 2008‐I‐16
en ocasiones debe ser mayor a 3 para que el proceso sea efectivo, a lo anterior es
necesario añadirle que dependiendo del solvente los costos de recuperación de este
pueden ser muy grandes, y en cuanto a los equipos de la torre, dependiendo de las
propiedades físicas y químicas de las sustancias involucradas, los requerimientos
energéticos de las bombas, condensadores y rehervidores pueden aumentar.
Por lo tanto si se comparan los dos tipos de destilaciones tratados hasta el momento,
generalmente se considera que la destilación extractiva es más deseable que la
azeotrópica principalmente porque existe un mayor rango de componentes que
pueden ser añadidos como agentes de separación ya que en la extractiva no se
depende de la formación de un azeótropo, además de esto, generalmente se
necesitan menores cantidades de solvente en la extractiva. Sin embargo estas
ventajas pudiesen desaparecer si se favoreciese la composición cerca del azeótropo y
cuando los requerimientos de pureza no son tan importantes [11].
Por otra parte en cuanto a la deshidratación por tamices moleculares y por
pervaporación, es necesario evaluar los rendimientos de los procesos para soluciones
diluidas y concentradas, ya que en estos casos, la extensión de la separación, el
numero de etapas, así como la cantidad de material adsorbente depende de la
concentración del alimento, y por ende en el caso de la pervaporación como ya se
expuso anteriormente, si la alimentación es concentrada se hace necesario el uso de
mas membranas y la adición de calor al retenido para llevar a cabo la separación. Por
otra parte estos procesos en ocasiones se usan después de una destilación
convencional, así que dependiendo de las condiciones y características de la
alimentación podría ser más económico implementar una destilación extractiva o
azeotrópica desde el inicio del proceso, y no usar un sistema de pervaporación o de
tamices moleculares después de la destilación convencional.
Sin embargo según Lalik, Mirek, Racokzy y Groszeck [2] el método de tamices
moleculares sobre las tecnologías tradicionales de deshidratación de etanol incluyen
un alto grado de separación, un bajo consumo de energía, larga vida del tamiz, y la
ausencia de emisiones tóxicas hacia el medio ambiente
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3.3. Adsorción
La adsorción es un proceso exotérmico y espontáneo en el que las moléculas, iones o
átomos dentro de un gas o líquido, se difunden hacia la superficie de un sólido, donde
bien pueden enlazarse con la superficie o simplemente ser atraídos hacia esta
mediante fuerzas intermoleculares débiles. La sustancia adsorbida se conoce como
adsorbáto, mientras que el sólido es el material adsorbente.
Con el fin de ser apto para propósitos industriales, el adsorbente debe tener ciertas
características; entre estas se tiene que debe ser altamente selectivo con el fin de
alcanzar un alto grado de separación; una alta capacidad de adsorción, con el fin de
minimizar la cantidad de adsorbente empleado, lo anterior se logra al tener materiales
altamente porosos y con gran área superficial por unidad de volumen; debe tener
propiedades cinéticas y de transporte que permitan una rápida adsorción con el fin de
minimizar el tiempo del proceso; el adsorbente también debe poseer cierta estabilidad
química y térmica, así como una solubilidad mínima con el fluido en contacto con el fin
de conservar la cantidad y propiedades del adsorbente, bajo este mismo criterio,
también debe poseer una alta dureza y resistencia mecánica, con el objeto de evitar la
erosión y la deformación del sólido dentro del equipo y durante el almacenamiento;
una de las características más importantes de un adsorbente es que debe ser
altamente regenerable, lo anterior con el fin de poder ser usado en múltiples
ocasiones, finalmente debe tener un costo relativamente bajo comparado con los
costos de proceso[10].
La mayoría de los sólidos pueden adsorber cierta cantidad de una sustancia liquida o
gaseosa; sin embargo solo algunos tienen las características mencionadas
anteriormente, que los hacen potenciales adsorbentes industriales. Por definición la
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) ha definido tres tipos de
poro de acuerdo a su tamaño, siendo los microporos menores a 20Ǻ, los mesoporos entre 20Ǻ y 50nm, y los macroporos mayores a 50nm.
El fenómeno de la adsorción se puede clasificar en dos tipos, fisisorción y
quimisorción. La fisisorción es causada por fuerzas de atracción tales como las
interacción dipolo-dipolo, dipolos inducidos, en general fuerzas de van der Waals. Por
IQ‐ 2008‐I‐16
otra parte, la quimisorción involucra fuerzas similares en valor a las que se presentan
cuando hay reacción química, y en las cuales hay un intercambio de electrones entre
las sustancias involucradas (adsorbato y adsorbente).
Las aplicaciones de los diferentes tipos de adsorción varían, siendo la fisisorción
empleada para determinar el área superficial de un sólido adsorbente, así como el
tamaño y la distribución de poros.
Por otra parte, la quimisorción se emplea en la determinación de la concentración
superficial en un sólido, cálculo de las velocidades de absorción y estimación de sitios
activos de un catalizador [13].
Uno de los criterios más importantes a la hora de diferenciar los dos tipos de adsorción
es el efecto del calor; para la adsorción física, el calor promedio de adsorción por mol,
durante la formación de una monocapa de vapor adsorbido es muy cercano al calor de
licuefacción; por otra parte los calores de adsorción para la quimisorción son
comparables a los calores de una reacción química y por ende son considerablemente
mayores a los de la adsorción física.
La adsorción física siempre es exotérmica, mientras que la química al igual que una
reacción en teoría podría llegar a ser endotérmica, sin embrago al ser la adsorción un
proceso espontáneo, en ambos casos se debe cumplir que el cambio en la energía
libre de Gibbs del proceso debe ser menor a cero.
En algunos casos distinguir entre la quimisorción y una reacción química puede ser
difícil, sin embargo, generalmente mientras el arreglo estructural de los átomos en el
seno del sólido no se vea modificado, el proceso es considerado como quimisorción,
por otra parte, si los átomos en el seno son desplazados o re-arreglados se refiere al
proceso como reacción.
Mientras que la adsorción química se limita a la formación de una monocapa, la
fisisorción puede provocar múltiples capas de material adsorbido, aunque ambos tipos
de adsorción en ocasiones pueden ocurrir al mismo tiempo, cualquier capa por encima
de la primera se formara básicamente por fisisorción. En cuanto a la selectividad de
ambos tipos, se puede decir que la más selectiva y especifica es la quimisorción; la
quimisorción ocurre solamente si el adsorbáto es capaz de formar un enlace químico
con el adsorbente, la extensión de este proceso varia ampliamente con la naturaleza
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de la superficie del adsorbente y el tratamiento que este haya sufrido durante su
preparación. Por otra parte, la fisisorción ocurrirá prácticamente para cualquier líquido
o gas en cualquier superficie siempre y cuando se suministre la presión o
concentración adecuada; lo anterior no implica que la cantidad adsorbida a
determinado valor de presión o concentración sea independiente de la naturaleza del
adsorbáto y del adsorbente [13].
La cantidad de gas adsorbido en un sólido depende de la presión de equilibrio, la
temperatura y la naturaleza del sistema gas-solido; la relación entre estas variables a
una temperatura determinada se representa en lo que se conoce como una isoterma
de adsorción. La IUPAC ha agrupado las diferentes isotermas obtenidas
experimentalmente en seis tipos.
Figura 8. Diferentes tipos de isotermas de adsorción según la IUPAC [14]
La isoterma tipo I es característica de los sólidos microporosos, dado que el llenado de
estos se produce a bajas presiones relativas.
La isoterma tipo II se obtiene para sólidos no porosos o macroporosos, los cuales
permiten la formación de multicapas a elevadas presiones relativas.
La isoterma tipo III es poco común y se obtiene cuando la interacción entre el
adsorbato y el adsorbente son muy pequeñas.
La isoterma tipo IV es característica de sólidos mesoporosos y presenta la formación
de multicapa, en este tipo de isotermas es común encontrar fenómenos de histéresis.
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La isoterma tipo V indica interacciones débiles entre el adsorbato y el adsorbente, y
puede presentar bucle de histéresis, el cual está asociado a los mecanismos de
llenado y vaciado de poros
La isoterma tipo VI, se asocio a sólidos con superficie muy uniforme (poco porosa), en
este tipo de isoterma lo pronunciado de los pasos depende del sistema y de la
temperatura. [14]
3.4. Zeolitas
Las zeolitas son básicamente aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos, que
después de la deshidratación forman un cristal ideal con una estructura y tamaño de
poro uniforme. El tamaño del poro depende básicamente del tipo de zeolita, de los
cationes presentes en la estructura y en la naturaleza y condiciones de los
tratamientos que se llevan a cabo durante su preparación, dentro de estos
tratamientos encontramos la calcinación, la lixiviación entre otros.
La aplicación y el interés inicial de los investigadores en las zeolitas se basaban en su
alta actividad y la gran selectividad que brindaban cuando se implementaban en reacciones con catalizadores. En algunos casos esta inusual selectividad se asociaba
con el tamaño de poro, el cual permite entrar al interior de las partículas solo a las
moléculas con el tamaño adecuado.
3.4.1 Características generales.
La estructura de la zeolitas se puede ver como una red tridimensional de SiO4 o AlO4
con forma de tetraedro, cada una con un átomo de silicio o aluminio en el centro,
según sea el caso, mientras que los átomos de oxigeno se encuentran ubicados en los
diferentes vértices del tetraedro, estos átomos pueden estar arreglados de diferentes
maneras y espaciados en una gran variedad de distancias.
El acceso a los canales internos de la zeolita se ve limitado por aperturas compuestas
de anillos de oxígeno formados por los tetraedros adyacentes. El tamaño del poro
depende del número de átomos en estos anillos, el cual puede ser 4, 5, 6, 8, 10 y 12,
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por ejemplo, para zeolitas con tamaños de poro mediano y grande, el anillo está
compuesto por 10 y 12 átomos.
Naturalmente se conocen al menos 39 especies de zeolitas, mientras que sintéticas,
se conocen más de 100; las naturales que en ocasiones tienen una sintética como
equivalente suelen ser nombradas basadas en el mineral principal que las compone,
por ejemplo la mordenita. Las sintéticas se nombran de acuerdo a las siglas del o los
investigadores que la desarrollaron, precedidas del término zeolita un ejemplo de esto
es la zeolita ZSM (Zeolite Socony-Mobil) [13].
Al ser alumino-silicatos, las zeolitas poseen una relación entre la cantidad de SiO2 y
Al2O3, al ser preparadas, esta relación puede ser modificada mediante tratamiento
acido para aumentarla, o durante la preparación, con el fin de darle ciertas
características especiales a la estructura de la misma de acuerdo a las características
deseadas para la red cristalina. Para asegurase de que la estructura cristalina de la
zeolita es la correcta, se suelen emplear diferentes técnicas para obtener la
información adecuada acerca de esta, dentro de estas técnicas se encuentran la
difracción de rayos X (para un solo cristal o para polvo), el electroscopio de alta
resolución (HREM) y la resonancia magnética nuclear.
Figura 9. Esquema de una Zeolita A [15]
Aunque inicialmente las zeolitas fueron usadas como catalizadores, actualmente se
usan para diferentes procesos como el secado y el ablandamiento del agua mediante
su capacidad de intercambiar iones.
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Por otra parte la estructura definida de sus poros, permite llevar a cabo la separación
de sustancias basándose en el tamaño y la forma de las moléculas a separar a través
de la adsorción de estas en su interior; este proceso se conoce como tamizado
molecular.
Sin embargo la capacidad de poder alterar la estructura de la zeolita por medio del
intercambio de iones, permite que se pueda atrapar una sustancia determinada aun
cuando todas las moléculas de la mezcla tengan acceso al interior de los poros [13].
3.4.2 Estructura de los poros.
La estructura de la zeolita puede ser descrita a partir de los canales que la conforman,
esos canales pueden existir de muchas formas. Los arreglos compuestos por canales
paralelos forman lo que se conoce como una estructura unidimensional; cuando los
canales anteriores se conectan con otro arreglo de canales por ejemplo uno con forma
de ángulos rectos, se habla de estructura bidimensional, sin embargo existe la
posibilidad de que la estructura bidimensional se combine con otro arreglo de canales,
creando así lo que se conoce como estructura tridimensional.
En una estructura unidimensional, los poros suelen tener el mismo tamaño y forma,
mientras que en la estructura bidimensional, puede suceder que uno de los dos
arreglos que la componen tenga los poros más grandes que el otro, lo cual hace que la
mayoría de las moléculas de interés puedan ser acomodadas solo en los más
grandes, haciendo que el efecto de los poros sea de manera unidimensional; por otra
parte en la estructura tridimensional, lo más común es que los poros de cada arreglo
sean diferentes produciendo formas que van desde círculos hasta zigzag. Sin embrago
es importante tener presente que para cualquier zeolita el diámetro efectivo del poro
varia moderadamente con el tipo de cationes presentes, el grado de hidratación y
también la temperatura [13].
3.4.3 Tamaño de poro efectivo
Frecuentemente el tamaño de los poros se asigna por medio de mediciones
cristalográficas, sin embargo estos también son afectados por la naturaleza de los
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cationes presentes y por los diferentes tratamientos que se hayan realizado durante su
elaboración. Además de esto, algunos materiales tienen fallas de colocación,
impurezas y deformaciones que tapan y obstruyen los canales. Por otra parte, el
material pudo haber sufrido algún tratamiento que pudiera aumentar el tamaño de
estos, por esta y otras razones, es que se suelen caracterizar a partir de la cantidad de
moléculas adsorbidas de una serie de hidrocarburos de tamaño decreciente.
La dimensión más importante a determinar es el diámetro de la sección transversal, el
cual puede ser calculado a partir de las longitudes de los enlaces, los ángulos de los
enlaces, y el radio de van der Waals o a partir de los diámetros cinéticos, los cuales
son muy útiles cuando las moléculas son relativamente esféricas [13].
En la siguiente Tabla 2 se muestra algunas de las zeolitas disponibles en el comercio
con su respectivo tamaño de poro y su relación SiO2/Al2O3.
Composición Zeolita Tamaño Poro (A)
SiO2/Al2O3 Catión
X 7.4 2.-3. Na
Y 7.4 3.-6. Na
USY (Y ultra-estable) 7.4 >3 H
A 3 2 K/Na
Erionita 3.8 4 Na/K/Ca/Mg
ZSM-5 5.5 >20 H
Tabla 2. Zeolitas Comerciales [16]
3.4.4 Preparación zeolitas
Usualmente las zeolitas son preparadas por medio de un proceso hidrotérmico a partir
de una fuente de alúmina, de sílica, o de un álcali como por ejemplo el NaOH, y en
ocasiones un compuesto cuaternario de amoniaco. Lo que se hace es formar un gel
no-homogéneo que se cristaliza gradualmente, en algunas ocasiones formando más
de un tipo de zeolita en el proceso. El proceso de nucleación es muy importante a la
hora de obtener las características deseadas, a continuación un proceso de inducción
cerca de la temperatura ambiente puede ser seguido a las temperaturas de
cristalización las cuales pueden llegar a 200°C en incluso más; por otra parte la
presión debe ser igual a la presión de vapor saturado del agua presente.
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Las características finales de la zeolita dependen de la relación entre ciertas variables
de proceso, tales como la relación SiO2/Al2O3 en la matriz inicial, los agentes de
nucleación, temperatura del proceso, pH, contenido de agua, maduración, agitación y
la presencia de cationes orgánicos e inorgánicos.
Por ejemplo desde los años sesenta se sabe que el uso de matrices con cierto
contenido de cationes de amonio cuaternario puede dirigir el proceso de cristalización
hacia una determinada dirección, lo cual produjo el descubrimiento de múltiples
cantidades de zeolitas.
Luego de la síntesis, la zeolita es secada y calentada con el fin de remover el agua de
la cristalización, y finalmente calcinadas a 550°C para remover los compuestos
orgánicos que queden. Si el propósito de la zeolita es actuar como catalizador, estas
se convierte a su forma acida, lo cual se logra mediante el tratamiento con HCl
acuoso, sin llegar a alterar la red cristalina de manera significativa.
Las zeolitas se fabrican con el fin de que el tamaño del cristal sea alrededor de un
micrómetro o menos para minimizar las limitaciones por difusión. El polvo obtenido es
usualmente convertido a pellets o incorporado a un gel para después darle la mejor
forma acorde con la aplicación deseada. El área externa es aproximadamente el 1%
del área interna, la cual tiene valores típicos de 500 a 800 m2/g [13].
3.5. Base Teórica del Protocolo Experimental
El método del cual parte el proceso de síntesis de zeolitas A en este proyecto, se
encuentra en [17], allí no solo se dan las composiciones recomendadas de las
mezclan reactantes, sino que también se presentan las condiciones de operación
típicas del proceso; las cuales se resumen a continuación.
Etapas del proceso:
1. Preparar una mezcla reactante compuesta por una semilla fuente, una sal de sodio,
una sal de potasio, agua, una fuente de alúmina y una fuente de sílice. La mezcla reactante tendrá una relación Na2O/(Na2O+K2O) mayor en un factor de 1.1 para la
zeolita producto.
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Las composiciones de los demás reactivos, en términos de relaciones molares se
muestran en la Tabla 3.
Óxidos
Constituyentes
Relaciones
Molares
(K2O+Na2O):Al2O3 1,2 - 2,6
SiO2:Al2O3 1,8 - 2,5
H2O:Al2O3 40 - 100
Tabla 3. Relaciones molares de los reactivos [20]
2. Mantener la mezcla reactante a una temperatura entre 80 y 100 °C, durante el
tiempo suficiente que permita formar, la zeolita deseada
3. Filtrar y lavar
El procedimiento de propuesto, así como los reactivos recomendados en [17] se
muestra a continuación en la Figura 10 .
Figura 10. Esquema resumido de la preparación de la Zeolita
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La preparación del tamiz involucra la preparación de una semilla fuente con la
siguiente composición molar.
16Na2O:2 a 9Al2O3:15SiO2:300 a 340H2O
Ésta semilla fuente tiene la función de promover el crecimiento de los cristales de
zeolita A; en la Figura 11 presentan las etapas del proceso de preparación de la
semilla recomendada por el autor.
Figura 11. Preparación de la semilla fuente recomendad en [17]
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4. MATERIALES Y METODOS USADOS PARA LA SINTESIS DEL TAMIZ MOLECULAR
4.1 Síntesis del tamiz molecular
El tamiz molecular se obtiene a partir de la preparación de una mezcla reactante la
cual, en condiciones de reacción adecuadas (tiempo de reacción y temperatura), forma
una estructura cristalina del tipo de una zeolita A.
La mezcla reactante está compuesta por una fuente de aluminio, una fuente de silicio y
un promotor; en este proyecto, la fuente de aluminio es aluminato de sodio, la fuente
de silicio es silicato de sodio y el promotor es hidróxido de sodio. A partir de las
composiciones recomendadas en [17], se elaboraron las mezclas reactantes,
reportadas en la Tabla 4 .
# Composición Molar Mezcla Muestra Na2O Al2O3 SiO2 H2O K2O Cant. Promotor (g)
1 1,6 1 2 60 0,4 - 2 0,58 1 2 60 1,43 - 3 2,56 1 2 32,45 - 10 4 2,56 1 2 32,45 - 10 5 2,56 1 2 32,45 - 10 6 2,38 1 1,5 29,49 - 10 7 2,75 1 2,5 35,41 - 10 8 2,56 1 2 32,45 - 5 9 2,56 1 2 32,84 - 15
Tabla 4. Composición molar de las mezclas preparadas
A partir de las muestras 1, 2 y 3, se pretende establecer el protocolo experimental que
permite la obtención de un tamiz molecular aplicable a la separación de la mezcla
etanol y agua. Mientras con el resto de muestras se pretende cambiar algunas
condiciones de proceso, como la relación óxido de silicio/óxido de aluminio (muestras
6 y 7) y la cantidad de promotor (muestras 8 y 9), con el fin de conocer el efecto de
estas sobre el tamiz obtenido.
Dependiendo del tipo de tamiz que se quiera sintetizar, existe un tiempo y una
temperatura de reacción determinada; en el caso particular de una zeolita A, [17] y [18]
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coinciden en que las temperaturas de reacción oscilan entre 80 y 100°C, mientras que
los tiempos de reacción se encuentran entre 1 y 6 horas. En este proyecto, la
temperatura utilizada en la preparación de todas las muestras es de 100°C. En
relación a las muestras 1 y 2 los tiempos de reacción son de 3 y 2 horas
respectivamente, conforme a los tiempos de reacción estipulados por Vaughan D. E.
para los ejemplos 1 y 2 de [17]. Análogamente, para las muestras restantes, se
asignan tiempos de reacción de 5 horas.
Una vez efectuada la reacción, se generan dos fases: una blanca y solida en la que se
encuentra la zeolita y los reactivos que no reaccionaron y una transparente y liquida
que corresponde al agua; estas fases deben ser separadas a través de lavado, filtrado
y secado. Para ello, se realiza una filtración al vacio y se lava con abundante agua,
hasta que liquido filtrado sea transparente; a continuación se lleva la torta resultante a
una estufa de calentamiento en la cual se seca la torta por un periodo de 12 horas,
después del cual, el tamiz está listo para ser usado.
Con el propósito de corroborar y caracterizar los tamices obtenidos, se realizan dos
tipos de análisis; el primer análisis consiste en hacer un DRX, una isoterma de
adsorción y una SEM, con el fin de obtener una valoración cualitativa de la
cristalinidad, la microporosidad y la uniformidad de la superficie del tamiz.
En relación al análisis cuantitativo, los DRX, permiten calcular el de cristalinidad de
una muestra respecto a otra; mientras que la isoterma de adsorción, proporciona
información acerca del área superficial y la distribución del tamaño de poro de los
sólidos obtenidos, información que permite ampliar la caracterización de los tamices
producidos.
Ecuación 1. Definición del porcentaje de cristalinidad [19]
Los rayos-X son una forma de radiación electromagnética de elevada energía y
pequeña longitud de onda; del orden de los espacios interatómicos de los sólidos.
Cuando un haz de rayos-X incide en un material sólido, parte de este haz se dispersa
en todas direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos o iones que
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encuentra en el trayecto, pero el resto del haz puede dar lugar al fenómeno de
difracción de rayos-X, que tiene lugar si existe una disposición ordenada de átomos
[20]. En este proyecto, los difractogramas experimentales se comparan el
difractograma teórico de una zeolita A, reportado en [21].
Figura 12. Difractograma teórico de una zeolita A [21]
En relación al análisis cuantitativo, la isoterma de adsorción, proporciona información
acerca del área superficial y la distribución del tamaño de poro de los sólidos
obtenidos, información que permite ampliar la caracterización de los tamices
producidos.
En un microscopio electrónico de barrido se obtienen imágenes ampliadas de los
materiales al barrer varias veces su superficie con un haz de electrones muy estrecho.
Las variaciones en la superficie del material analizado producen variaciones en la
intensidad de los electrones secundarios (electrones asociados a los átomos de la
muestra) que salen de la superficie del material por la fuerza de colisión de los
electrones primarios del haz de electrones. En un microscopio SEM (scanning electron
microscope) la ampliación está limitada por el diámetro del haz de electrones, pero es
mucho mayor que la proporcionada por un microscopio óptico.
Las microscopias electrónicas de barrido se realizaron dentro la Universidad Nacional
de Colombia, en el laboratorio de Microscopia Electrónica a través de un microscopio
de barrido FEI QUANTA 200, para llevar a cabo la microscopia es necesario metalizar
la muestra; este procedimiento se lleva a cabo en un con argón como gas de ataque
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sobre una placa de oro-paladio, la película resultante depositada sobre las muestras
es de +/- 5 nm de espesor
Por otra parte, los difractogramas de rayos X y las isotermas de adsorción, se
realizaron en las instalaciones del Departamento de Química de la Universidad de Los
Andes; para los DRX se usó un difractómetro Rigaku Miniflex; en cuanto a las
isotermas de adsorción se empleó un sortómetro Autosorb 3b de la marca
Quantachrome con nitrógeno a 77K como adsorbáto.
Hasta este punto se tiene una metodología experimental que permite analizar y
determinar las características más importantes de un tamiz molecular, para
posteriormente aplicar los productos obtenidos a la separación de una mezcla etanol-
agua.
4.2. Determinación de la capacidad de adsorción de los tamices moleculares
En esta etapa del proyecto, se puso en contacto los tamices obtenidos durante la
metodología experimental con mezclas de etanol y agua, para determinar la capacidad
de adsorción de los tamices.
Para ello se introducen el tamiz y la mezcla dentro del montaje experimental mostrado
en la y se determina el porcentaje de humedad del efluente para diferentes tiempos.
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Figura 13. Montaje experimental usado en la determinación de la capacidad de adsorción de los tamices
El montaje experimental está compuesto por un condensador, una columna de vidrio y
un regulador de flujo a la salida de la columna. El condensador evita la perdida de
etanol por evaporación a través del agua de enfriamiento que circula por este; el
regulador de flujo permite controlar la cantidad de efluente que sale por la columna,
mientras que la mezcla y el tamiz que se analiza, se cargan dentro de la columna de
vidrio.
Dada la capacidad de la columna de vidrio (15 ml), las pruebas se realizan poniendo
en contacto 5,1579 g. de una solución al 3% de agua con 1 g. de la zeolita.
El porcentaje másico de agua de los efluentes de la columna, se determina a través de
un valorador Karl Fischer DL32 de marca Mettler-Toledo; este equipo puede analizar
muestras cuyo contenido de humedad es menor al 5% en peso y se encuentra
disponible en el laboratorio en Laboratorio de Escalado de Proceso, del Departamento
de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes.
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5. RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS
5.1. Difracción de rayos X
Cualitativamente los productos obtenidos en las muestras 1 y 2 son muy similares
entre sí; ninguno de los dos casos presenta formación de dos fases y el producto final
es una mezcla homogénea de poca fluidez. Teniendo en cuenta que mediante estos
dos procedimientos se intenta reproducir los resultados obtenidos en [17]; en los
cuales al finalizar la reacción se presentan dos fases que posteriormente deben ser
filtradas y lavadas. Lo anterior implica que estos ejemplos no son reproducibles bajo
las condiciones en que se realizaron las pruebas. La afirmación anterior se corrobora
al realizar los DRX de las muestras 1 y 2; estos difractogramas se muestran en la
Figura 14 y en la Figura 15 respectivamente.
Figura 14. Difractograma de rayos X para la muestra 1
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Figura 15. Difractograma de rayos X de la muestra 2
La carencia de picos definidos indica poca cristalinidad, lo anterior contrasta con los
resultados de [17] en los cuales los difractogramas de los productos obtenidos eran los
de una zeolita A.
A diferencia de las muestras 1 y 2, la muestra 3 presenta dos fases al finalizar la
reacción y el producto resultante de los procesos de filtración, lavado y secado es
insoluble en agua. Al realizar el DRX de esta muestra se tiene que la cristalinidad es
mucho mayor que la de las muestras anteriores, producto de la presencia de una
mayor cantidad de picos definidos.
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Figura 16. Difractograma de rayos X de la muestra 3
Al comparar el difractograma de la Figura 16 con el difractograma teórico de la Figura
12, se observa que cuando 2Θ toma valores entre 10 y 40 existe una semejanza entre
ambas graficas, principalmente en el hecho de que el pico de mayor intensidad se encuentra en el rango de 25 a 30. Por otra parte, el hecho de que en ciertas regiones
del DRX, se encuentren picos de intensidad considerable que no aparecen el
difractograma teórico, implica que no todo el material que se encuentra en la muestra
es zeolita A.
5.2. Microscopia electrónica de barrido
En la Figura 17 se muestra la SEM del tamiz obtenido de la muestra 3; a través de
esta se puede observar la uniformidad en la composición de la superficie del tamiz.
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Figura 17. Microscopia electrónica de barrido del tamiz obtenido a partir de la muestra 3 (Aumento de 2000X)
A pesar de que existe una gran cantidad de aglomerados de diferentes tamaños,
producto de la metalización de la muestra, se observa un gran número de estructuras
de tamaño uniforme, que se reparten a lo largo de la muestra.
En la Figura 18 se aprecia que existen dos tipos de estructuras en la superficie del
tamiz: la primera son una serie de cubos de tamaño uniforme, y la segunda, son una
serie de pequeños aglomerados con forma esférica de superficie irregular.
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Figura 18. Microscopia electrónica de barrido del tamiz obtenido A) Aumento de 25000X, B) Aumento de 29000X
Al comparar las microscopias mostradas en la Figura 17 y en la Figura 18, con la
microscopia teórica mostrada en la Figura 19 se observa la presencia de ambas
microestructuras.
Figura 19. Microscopia electrónica de barrido teórica de una Zeolita A [22]
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Se tiene entonces que los cubos son cristales de zeolita A, mientras que las demás
microestructuras son estructuras amorfas que corresponden a los reactivos que aun
no se han cristalizado [22]. Lo anterior implica que una gran cantidad de cubos en la
microscopia indica una alta cantidad de zeolita A. En la Figura 20 se aprecia una alta
densidad de estructuras cubicas, sin embargo la cantidad de estructura amorfa aun
mayor.
Figura 20. Microscopia electrónica de barrido del tamiz obtenido (Aumento de 10000X)
5.3. Isoterma de adsorción de nitrógeno.
Las SEM proporcionan una descripción cualitativa de la superficie del tamiz; un análisis más profundo de esta propiedad se obtiene a través de una isoterma de
adsorción; esta isoterma se muestra en la Figura 21.
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Figura 21. Isoterma de adsorción de nitrógeno para el tamiz obtenido en la muestra 3
De la isoterma de adsorción anterior, se tiene que el sólido obtenido tiene una área
superficial aparente BET de 36 m2/g; por otra parte, el tamiz sintetizado presenta cierto
grado de microporosidad dado que el llenado de los poros ocurre a bajas presiones
relativas; la zona intermedia de la isoterma (cuando P/Po toma valores entre 0,2 y 0,9)
tiene una pendiente mayor a 0, lo anterior significa que la superficie del solido no es
del todo uniforme, complementando así el análisis SEM.
Una de las principales características que se desean en un tamiz molecular es que el
diámetro de poro sea uniforme; la distribución del diámetro de poro para el tamiz
obtenido de la muestra 3 se muestra en la Figura 22.
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Figura 22. Distribución de poro del tamiz sintetizado en la muestra 3
De la figura anterior se observa que la superficie del tamiz esta por compuesta por una
gran variedad de diámetros de poro; de ellos el diámetro que más abunda en la
superficie del tamiz es de alrededor de 11Å; por otra parte se tiene que la proporción
de poros con un diámetro cercano a 3Å es mucho menor que la de 11 Å.
5.4. Pruebas de adsorción
Finalizada la caracterización del tamiz obtenido determino la aplicabilidad de la
muestra obtenida a la separación de una mezcla etanol-agua.
En la Figura 23 se muestran los resultados de la prueba de adsorción realizada sobre
el tamiz obtenido de la muestra 3
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Figura 23. Curva de Adsorción para la zeolita obtenida en la muestra 3
En esta curva se aprecia como a medida que el tamiz entra en contacto con la
solución, el contenido de humedad en el efluente disminuye hasta un valor mínimo, a
partir del cual, el tamiz empieza a saturarse y como consecuencia de lo anterior el
porcentaje de humedad en el efluente empieza a aumentar de nuevo.
Para un tiempo de 48 minutos el porcentaje de humedad dentro de la muestra es
mayor al inicial, esto se sucede debido a que el etanol empieza a evaporarse,
aumentando así el contenido de agua en la solución; por otra parte, mientras se
recoge la cantidad necesaria para llevar a cabo el análisis Karl Fischer (0,3 g. de
solución), la humedad presente en el medio puede adsorberse en el efluente
aumentando de esta manera el contenido de humedad contenida en este.
Con el fin de ampliar la zona de máxima adsorción del tamiz y observar el
comportamiento del tamiz a lo largo de la saturación, se procedió a repetir la prueba
disminuyendo la cantidad de agua en solución por gramo de tamiz; para el
experimento anterior era de 0,15 gramos de agua por gramo de tamiz; en esta nueva
corrida la relación es de 0,11 gramos de agua por gramo de tamiz.
Los resultados de la nueva corrida se muestran en la Figura 24.
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Figura 24. Curva de Adsorción para una relación de 0,11 gramos de agua por gramo del tamiz obtenido en la muestra 3
A través de este experimento se observa que el comportamiento del fenómeno de la
adsorción es muy similar al caso anterior; inicialmente el tamiz empieza a adsorber
agua, hasta un máximo de adsorción y posteriormente, se empieza a saturar. Hacia el
final de esta corrida también se obtienen porcentajes de humedad mayores al inicial, lo
que implica que la evaporación del etanol y la adsorción de la humedad del medio en
la zeolita son fenómenos que persisten dentro el proceso y deben ser tenidos en
cuenta.
5.5. Variaciones sobre la relación SiO2/Al2O3.
En la Figura 25, se presentan los DRX, de las muestras 3, 6 y 7; cada una con una
relación de óxido de silicio/óxido de aluminio de 2, 1.5 y 2.5 respectivamente. En esta
figura se observa que la principal diferencia entre las muestras es la intensidad de los
picos en el difractograma, lo cual implica que la estructura del tamiz se mantiene y lo
único que cambia es la cristalinidad de las muestras 6 y 7, con respecto a la muestra
3. De la Ecuación 1, se tiene que la muestra 6 es un 12% menos cristalina que la
muestra 3; mientras que la muestra 7 es mas cristalina que la muestra 3 en un 11%.
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Figura 25. DRX de las muestras a las que se le varió la relación óxido de silicio/óxido de aluminio
Para determinar de qué forma se relaciona la capacidad de adsorción y la cristalinidad
del sólido, se realizaron las curvas de adsorción para las muestras 6 y 7 y se
graficaron con la obtenida previamente (Figura 16) para la muestra 3. Los resultados
de estas pruebas de adsorción se muestran en la Figura 26.
Figura 26. Curvas de adsorción de las muestras 3, 6 y 7
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De la Figura 26 se ve que la capacidad de adsorción del tamiz es directamente
proporcional a la cristalinidad del mismo, dado que la cantidad máxima de agua
retenida se obtiene para una relación de óxido de silicio/óxido de aluminio de 2.5.
5.6. Variaciones sobre la cantidad de promotor (NaOH).
En la Figura 27, se presentan los DRX, de las muestras 3, 8 y 9; cada una con una
cantidad de promotor igual a 5g, 10g y 15g respectivamente. De esta figura se tiene
que el material obtenido en la muestra 9, es similar al obtenido en la muestra 3, la
principal diferencia radica en que los picos de la muestra 9 tienen una menor
intensidad la cual y por ende una menor cristalinidad, la cual es un 81% menor a la de
la muestra 3.
Figura 27. DRX, de las muestras a las que se les varió la cantidad NaOH.
En cuanto a la muestra 8, se observa que el difractograma es diferente a los obtenidos
en las muestras 3 y 9, lo anterior significa que la estructura cristalina del sólido
obtenido a partir de esta muestra es diferente.
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En la Figura 28, se muestran las curvas de adsorción obtenidas para las muestras 3, 8
y 9; en esta curva se ve como muestra 8 tiene un menor capacidad de adsorción que
las muestras 3 y 9.
Figura 28. Curvas de adsorción de las muestras 3, 8 y 9
5.7. Verificación del protocolo experimental
Al observar la aplicabilidad del tamiz, en la separación de una mezcla etanol-agua, se
verifica la reproducibilidad del método a través de las muestras 4 y 5. La muestra 4
contiene 50 gramos de mezcla reactante, mientras que la muestra 5 se contiene 75
gramos; las condiciones de reacción, separación, y secado fueron las mismas que
para la muestra 3; los difractogramas de las muestras 4, 5 y 3 se muestran en la
Figura 29.
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Figura 29. Comparación de los difractogramas de las muestras 3, 4 y 5
A través de esta grafica se observa que los difractogramas de las muestras son
idénticos, lo cual implica que el procedimiento experimental empleado en la
elaboración del tamiz es reproducible mientras se mantengan las mismas condiciones
de proceso y las mismas relaciones molares empleadas en la preparación de la
muestra 3.
Las etapas del protocolo experimental empleado para preparar el tamiz molecular que
posee las características mencionadas hasta este punto se presentan a continuación:
1. Preparar una mezcla reactante las siguientes composiciones en términos de
relaciones molares.
• SiO2:Al2O3 → 2
• NaOH:Al2O3 → 0.25
• H2O:Al2O3 → 32.45
La relación molar entre el oxido de silicio y el oxido de aluminio puede ser
mayor a 2, ya que como se mostro anteriormente, al aumentar esta relación se
aumentó la cristalinidad del tamiz, se debe tener cuidado con cuanto se
aumenta esta relación ya que para valores mayores de esta relación, se
pueden obtener otros tipos de tamiz [18].
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2. Los reactivos se deben agregar de la siguiente manera y bajo agitación
constante: Primero se agrega el Hidróxido de Sodio al Aluminato de Sodio, y
posteriormente se agrega, gota a gota, el Silicato de Sodio; lo anterior con el fin
de evitar la rápida aglomeración que se da entre el oxido de silicio y el oxido de
aluminio.
3. La mezcla reactante se debe mantener a una temperatura de 100°C y a una
presión atmosférica (560 mmHg), por un periodo mayor a 5 horas lo anterior
con el fin de dar el tiempo suficiente para que ocurra la cristalización de los
aluminosilicatos en forma de zeolita A y generar una mayor cantidad de
estructura cristalina a la presentada en este trabajo.
4. Filtrar al vacio y lavar con abundante agua, hasta que el liquido filtrado sea
transparente; lo anterior con el fin de retirar aquellos reactivos que no hayan
reaccionado.
5. Secar a una temperatura de 70°C por 12 horas con el fin de retirar la humedad
retenida por el tamiz en el proceso de lavado. Es recomendable trabajar a esta
temperatura dado que de trabajar a temperaturas mayores, la cantidad de
material amorfo que hay en el tamiz puede empezar a cristalizarse de forma no
controlada, y cambiar así las propiedades del tamiz.
6. Almacenar en un ambiente cerrado libre de humedad, de no ser así, el tamiz,
al ser un material higroscópico, empezara a retener la humedad del medio.
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6. CONCLUSIONES
No es posible obtener un tamiz molecular, a través de los métodos empleados por
Vaughan D. E. en [17], bajo las condiciones de reacción en con las cuales se
sintetizaron los tamices, debido principalmente a que el recipiente usado en [17]
requiere de una presión autógena, y el empleado en este proyecto está abierto a la
atmosfera.
Parte del tamiz obtenido presenta la estructura cristalina de una zeolita 3A, haciéndolo
apto para la separación de una mezcla etanol-agua; tal y como lo demuestran las
pruebas de adsorción y la distribución de poro obtenida en la Figura 22
La capacidad de adsorción del tamiz molecular depende de la relación molar entre el
óxido de silicio y el óxido de aluminio presente en la mezcla; mayores relaciones bajas
relaciones implican una menores capacidades de adsorción; sin embargo debe
establecerse el rango para el cual se sigue obteniendo zeolita A; ya que para valores
muy altos o muy bajos se pueden obtener tamices moleculares con propiedades
distintas a las deseadas.
La estructura y la cristalinidad del tamiz molecular pueden variar dependiendo de la
cantidad de promotor empleada; se considera la cantidad de promotor empleada a lo
largo de este trabajo como la óptima ya que para ésta se obtuvo una mayor capacidad
de adsorción.
Conforme a los resultados obtenidos en los difractogramas de las muestras 4 y 5
(Figura 29). El protocolo experimental elaborado, permite obtener, en diferentes
cantidades, un tamiz molecular aplicable a la separación de la mezcla etanol-agua;
siempre y cuando se mantengan las condiciones de proceso establecidas en este.
A través de posteriores investigaciones se deja abierta la posibilidad de mejorar el
desempeño del tamiz molecular obtenido, si se logra una superficie y diámetro de poro
de mayor uniformidad. A través de variaciones sobre ciertas condiciones de proceso
no presentadas en el presente artículo, tales como la temperatura y el tiempo de
reacción; ya que teóricamente estas son las variables que más influyen durante el
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proceso de síntesis del tamiz [19]; el énfasis debe hacerse principalmente aumentando
el tiempo de reacción debido que la temperatura usada a lo largo de este trabajo se
encuentra en el rango de obtención de zeolita A (80-100 °C) [17].
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7. RECOMENDACIONES
Después de finalizado el proyecto se plantean las siguientes recomendaciones.
Investigar a través de que procesos y modificaciones del protocolo experimental
presentado, se pueden obtener distribuciones de poro mas uniformes.
Realizar pruebas de adsorción con muestras que tengan un mayor contenido de agua
(por debajo del azeótropo), para determinar los efectos de la concentración, dentro del
proceso de adsorción.
Determinar las condiciones de regeneración y pelletizado del tamiz molecular con el fin
de que este sea aplicable industrialmente.
Determinar los efectos de la temperatura de reacción en el proceso de cristalización
del tamiz con el fin de conocer la variación el tamaño de poro con respecto a esta
variable.
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IQ‐ 2008‐I‐16
ANEXOS
Datos obtenidos en la experimentación
• Ficha Tecnica del Silicato de Sodio
Ficha Técnica Silicato de Sodio de Químicos CAMPOTA
CONCEPTO RANGO
ACEPTADO RESULTADOS COLOR GRISACEO Grisáceo
TEXTURA FLUIDA Fluida OLOR CARACTERISTICO Inodoro
DENSIDAD (°Be) A 20°C 50 ± 1 49
GRAVEDAD ESPECIFICA 1,48 a 1,5 1,49
ALCALINIDAD (%Na2O) 12,5 ± 1 12
SILICE (%SiO2) 31,20 a 33,15 31,7 SOLIDOS TOTALES
(%) 43,7 a 44,5 43,7
RELACION (Na2O:SiO2) 1:2,10 a 1:2,40 01:02,4 VISCOSIDAD 600 a 850 cP 750
PH 12 ± 0,5 12
IQ‐ 2008‐I‐16
• Ficha Técnica del Aluminato de Sodio
