Modificación de la estructura del carbón por activación para conducir corriente eléctrica

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(1)• Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. I....... DE I GE IE DIE IERfA. ría. Q. uí m. E CU. 1. ica. F CULt. 111. . . . .. ie. oLC. In g. en. P CTN ORRIEInE ELE TRlC ". UTO ES. de. AG I A YEZ YURIT JESSICA CU BO ILLA ONICA. lio te. ca. • •. Dr. WI BER LOYOLA CAR. ZA. Bi b. COSEO: Dr. CRO. L AGUILAR QUIRO. TRUJILLO· PE (J. 2010 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. ica. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO. Q. ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA. CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DE ANTRACITA PARA. ie. ría. CONDUCIR CORRIENTE ELÉCTRICA. en. AUTORES:. 2516006-02. CUBAS BONILLA MARIA MONICA. 0516040-02. In g. MAGUIÑA CHAVEZ YURIT JESSICA. de. ASESOR:. ca. Dr. WILBER LOYOLA CARRANZA.. Bi b. lio te. COASESOR:. Dr. CROSWEL AGUILAR QUIROZ. TRUJILLO-PERÚ 2010. 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) ría. Q. JURADO DICTAMINADOR. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ie. ________________________________________. In g. en. DR. WILBER LOYOLA CARRANZA. de. _________________________________________. Bi b. lio te. ca. MS. JOSE SILVA VILLANUEVA. _________________________________________ ING. ERNESTO WONG. 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. GRACIAS AL DIOS PADRE Por seguir brindándome la vida,. Q. la salud, las fuerzas y haber hecho posible mi mayor deseo;. en. ie. ría. para El mi gratitud y mi infinito amor. A mi hermana:. A mis padres:. Por darme constante aliento para poder. culminar mis estudios profesionales.. de. In g. NASTASHA. ca. BENINGO Y NORMA. Quienes con su amor, enseñanza y apoyo. lio te. incondicional supieron guiarme durante toda mi vida y porque nunca desconfiaron de logro de este proyecto. A ellos mi gratitud. Bi b. y mi inmenso cariño.. YURIT 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ría. Q. uí m. AL SEÑOR JESUCRISTO Por enseñarme el camino correcto de la vida, guiándome y fortaleciéndome cada día.. ie. A mis padres:. de. In g. en. MARCO Y MONICA por su apoyo incondicional, en especial a mi madre que con sus consejos y su amor me ha brindado las mejores lecciones de vida y me ha enseñado a seguir adelante a pesar de las adversidades.. ca. A mis hermanos:. Bi b. lio te. CESAR Y LUIS que son los mejores amigos que tengo, por creer y confiar siempre en mí, apoyándome en todas las decisiones que he tomado en la vida.. MARIA 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Q. AGRADECIMIENTO. Expresamos nuestro reconocimiento y agradecimiento a nuestro profesor y copor. su generosidad al brindarnos la. ría. asesor Dr. Croswel Aguilar Quiroz. oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia científica en un marco de. en. ie. confianza, afecto y amistad, fundamentales para la realización de este trabajo.. Un agradecimiento especial al Ing. Wilber Loyola Carranza por la colaboración. In g. brindada a lo largo de la realización experimental de esta investigación.. Agradecemos a nuestros compañeros del grupo de investigación por el apoyo. de. brindado durante el presente trabajo.. ca. Nuestro agradecimiento sincero al Sr. Alcántara, técnico del laboratorio de cinética. Bi b. lio te. y catálisis por el apoyo incondicional brindado durante el presente trabajo.. YURIT JESSICA MAGUIÑA CHAVEZ MARIA MONICA CUBAS BONILLA. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. PRESENTACION. Q. SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:. ría. En cumplimiento con el Reglamento de Grados y Títulos del programa académico de Ingeniería Química en la Universidad Nacional de Trujillo, ponemos a vuestra. ie. consideración el presente trabajo de tesis titulado. “CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DE ANTRACITA PARA CONDUCIR. en. CORRIENTE ELÉCTRICA”, realizadas en el laboratorio de cinética y catálisis de la Facultad de Ingeniería Química, con lo cual pretendo obtener el Título. In g. Profesional de Ingeniero Químico.. El presente trabajo detalla la forma de obtención de la materia prima, productos. Bi b. lio te. ca. de. intermedios y finales.. Trujillo 08 Marzo del 2010. YURIT JESSICA MAGUIÑA CHAVEZ MARIA MONICA CUBAS BONILLA. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. ÍNDICE. RESUMEN………………………………………………………………………8. II.. INTRODUCCION……………………………………………………………....9. uí m. I.. HIPOTESIS ……………………………………………………………………..13. IV.. OBJETIVOS…………………………………………………………………......13. V.. MATERIALES Y METODOS…………………………………………………..14. ría. Q. III.. Materiales de laboratorio………………………………………...14. 5.1.2. Reactivos…………………………………………………………15. 5.1.3. Equipo…………………………………………………………….15. en. 5.1.1. In g. 5.2. ie. 5.1 MATERIALES……………………………………………………………..14. METODOS………………………………………………………………...16 5.2.1 Preparación de la antracita…………………………………………...16. de. 5.2.2 Activación de la antracita…………………………………………….16 5.2.3 Conductividad de la antracita………………………………………...17. ca. 5.2.4 Mediciones de conductividad………………………………………...18. lio te. 5.3 VARIABLES DE ESTUDIO………………………………………………...19. VI.. RESULTADOS Y DISCUSION…………………………………………………20. Bi b. 6.1 Influencia de la temperatura de activación……………………………………20. 6.2 Influencia de la concentración de NaOH……………………………………..21 6.3 Influencia del tiempo de activación…………………………………………..22. 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………………25. VIII.. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………...27. IX.. APENDICE………………………………………………………………………30. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. VII.. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. RESÚMEN. En el presente trabajo se estudia la influencia que ejerce el medio de. Q. activación y el agente activante sobre el carbón antracítico, centrando la investigación en obtener un material que pueda conducir la corriente. ría. eléctrica previa activación, a las condiciones de proceso: tiempo,. ie. temperatura, ya que estas condiciones influyen en la obtención de los. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. grupos funcionales en la estructura superficial del carbón.. 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. ABSTRACT. In the present work the influence exerted by the activation medium and the. Q. activating agent on the anthracite carbon is studied, focusing the research on obtaining a material that can drive the electrical current prior activation, to the. ría. process conditions: time, temperature, that these conditions influence the obtaining. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. of the functional groups in the surface structure of the coal.. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. I.. INTRODUCCION Los avances tecnológicos en los últimos años requieren que un mismo material. ica. realice diferentes funciones en una aplicación específica o en aplicaciones simultaneas, a este tipo de materiales se les denomina multifuncionales o. uí m. inteligentes.. Estos materiales presentan la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (rigidez,. Q. viscosidad, forma, color, propiedades electrónicas, etc.) de modo reversible y controlable, frente a un estímulo externo que puede ser de naturaleza física o. ría. química.. Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño. ie. y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder. en. también llegar a configurar estructuras y sistemas inteligentes de aplicaciones. In g. múltiples.[1]. Una de las áreas de investigación de frontera en la ciencia de los materiales, es modificar los componentes estructurales de un compuesto para obtener estructuras moleculares con propiedades no propias de dicho material. En este sentido el. de. carbón es un material muy versátil y manipulable el cual puede modificarse y transformarse en un compuesto multifuncional, como por ejemplo, con capacidad. ca. adsorbente y simultáneamente presentar propiedades de conductor eléctrico.. lio te. Estudios de carbones activados capaces de conducir corriente eléctrica como parte de un material compuesto, fue investigado por Vilcakova et al [2], quienes observaron que la conductividad eléctrica de materiales compuestos de resinas de poliéster rellenos con fibras de carbono, aunque los resultados son muy variados,. Bi b. éstos presentan capacidad de conducir corriente eléctrica. Wen et al [3], estudiaron la conducción eléctrica de fibras de carbono reforzada con cemento, observando que la conducción envuelve la presencia de electrones e iones en el sistema. Cundo se realiza tratamientos oxidativos a la superficie del 11. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. carbón, ésta mantiene una conducción de tipo iónico debido a la presencia de grupos superficiales en el carbón. Así mismo, que en estado seco la conducción. ica. electrónica es más importante que la de tipo iónico y viceversa en estado húmedo. La influencia de tratamientos oxidativos al carbón, fue estudiado por Kim et al [4]. uí m. encontraron que este tipo de tratamientos genera un daño en el carbón ocasionado la disminución de su capacidad conductora.. Q. Estudios de carbones conductores utilizando como materia prima cáscara de arroz, fue estudiado por Kennedy et al [5], quienes determinaron para este caso que la. ría. variación de la conducción eléctrica es función de la temperatura, observando dos formas diferentes de conducción:. A temperaturas moderadas T<150 °C donde predomina el mecanismo de. ie. i.. ii.. en. Hopping en los estados de los electrones  deslocalizados y A altas temperatura 150 < T < 250 °C , debido a procesos térmicamente. In g. activados a través del salto en el intervalo de energía de 0,0522–0,1023 V. Para que el carbón sea conductor, se requiere la existencia de electrones libres y. de. pueda permitir el paso de una corriente eléctrica. Cuando hay electrones libres presentes se dice que el material es un conductor eléctrico o simplemente conductor. Si los electrones no pueden moverse “libremente” al interno del. ca. carbón será muy difícil que conduzca una corriente eléctrica. En este sentido el carbón activado debe ser modificado estructuralmente para que pueda tener la. lio te. capacidad de conducir la corriente eléctrica [6]. En la superficie de los carbones los átomos de carbono correspondientes a los. Bi b. bordes de los planos basales, se encuentran combinados en mayor o menor proporción con átomos distintos al carbono (heteroátomos) dando lugar a diferentes grupos superficiales, los cuales se caracterizan por tener capacidad adsorbente. Pero también los átomos de carbono de los planos basales poseen orbitales π con electrones deslocalizados. Son éstos electrones deslocalizados los 12. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. que se pueden aprovechar para hacer que el carbón sea conductor de corriente. ica. eléctrica. [7]. Un parte importante de la química superficial de un carbón activado es su. naturaleza anfótera, lo cual significa que en la superficie del carbón coexisten. uí m. grupos superficiales de carácter ácido y grupos superficiales de carácter básico. El que un carbón sea globalmente ácido o básico dependerá tanto de la concentración de estos grupos como de la fuerza como ácido o base de los. Q. mismos. De forma intuitiva, se puede deducir que un carbón de tipo básico será preferible para la adsorción de compuestos ácidos que un carbón de tipo ácido y. ría. viceversa, [8]. Para la mayoría de las investigaciones en las que se usa carbón antracita, es necesaria su activación; dicha activación se realiza por medios físicos. ie. o químicos [9].. en. En la activación química del carbón usando NaOH y KOH, se genera una porosidad en la parte externa del carbón lo que le otorga grandes propiedades de. In g. conductividad [10].. de. La reacción del NaOH con la antracita durante la etapa de activación es: 4NaOH + 2CO2 → 2Na2CO3 +2H2O. 6NaOH + C → 2Na + 3H2 +2Na CO3. lio te. ca. Otra reacción que puede producir el carbonato de sodio es:. Estas reacciones se inician a los 570 ºC y generando al final del proceso carbonato. Bi b. de sodio, e hidrógeno [11]. Diferentes investigaciones muestran que la activación química del carbón es mas conveniente utilizando los agentes activantes que penetren de manera mas agresiva en la superficie del carbón y producir mejores condiciones para que el carbón tenga propiedades conductoras. 13. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Después de un conocimiento previo de la química superficial del carbón y una explicación acerca de las condiciones en las que trabaja el carbón activado, se. ica. puede entender que la conductividad se debe a los electrones libres. El incremento en la conductividad eléctrica a través de una activación se explica porque la. activación remueve las partes mas desorganizadas del carbón generando una. uí m. superficie porosa en el material, ideal para la conductividad; estos tipos de trabajo son usados en el campo de procesos electroquímicos en donde se busca obtener conductividad y además sean inertes a las. ría. condiciones en las que se les puede emplear. [11]. Q. materiales que presenten alta. En la búsqueda bibliográfica no se han encontrado trabajos de carbones activados. ie. con capacidad de conducir corriente eléctrica, utilizando como material de partida la antracita. Desde este punto de vista y siendo la cuenca carbonífera del Alto. en. Chicama una fuente de carbón tipo antracita, es necesario realizar un estudio básico que permita ver la posibilidad de poder modificarlo y darle un valor. In g. agregado con un uso diferente de combustible fósil o como adsorbente de compuestos orgánicos o inorgánicos.. de. En ese sentido el presente trabajo de investigación busca establecer bajo que condiciones la antracita puede ser convertida en conductor de corriente eléctrica.. ca. Se plantea, que si la presencia de electrones “libres” en los planos basales del carbón son los responsables de la conducción de corriente eléctrica, entonces sería. lio te. posible que la antracita pueda conducir corriente eléctrica si la activación con. Bi b. NaOH genera electrones “libres” en la estructura del carbón.. 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. II.. HIPÓTESIS. ica. Si a través de la activación química del carbón (antracita) usando KOH / NaOH se puede modificar la estructura superficial del mismo [18], entonces sería posible obtener un carbón que conduzca la electricidad por medio de los electrones libres. Q. uí m. que presenta en su estructura.. OBJETIVOS. ría. III.. en. ie.  Generar un carbón activado con estructura química superficial modificada que tenga la capacidad de conducir la corriente eléctrica.. Bi b. lio te. ca. de. In g.  Determinar las condiciones específicas de la activación del carbón, en función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica.. V.. MATERIALES Y METODOS 15. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 5.1. MATERIALES. Cinta teflón.. . Crisoles de acero inoxidable.. . Espátula.. . Frascos de vidrio.. . Luna de reloj.. . Malla Tylor N°12 y 50.. . Matraz erlenmeyer 250 ml.. . Matraz kitosato.. . Medidor de pH.. . Mortero.. . Papel filtro Wattman N°5..   . Probeta 50 ml.. . Termocupla.. . Vasos de precipitación 200ml.. . Varilla de agitación.. . Carbón Antracita ( Huaranchall).. en. ie. ría. Q. uí m. . In g. ica. 5.1.1 Materiales de laboratorio:. Pilon.. . Pipeta 2ml.. lio te. ca. de. Pisceta.. Bi b. 5.1.2. Reactivos . Acido clorhídrico (HCl).. . Agua destilada.. . Goma Arabica. 16. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Nitrógeno (N2).. ica. Hidróxido de sodio en pellets (NaOH).. uí m. Equipos. Balanza Analítica SARTORIUS cap. 200g.. . Molino de bolas con capacidad de 0,5 kg (1/2", 3/4" y 1 ¼”).. . Desecador.. . Estufa de 150°C.. . Medidor de conductividad de 4 puntos (2,5V, 1,0V, 1,0V,. Q. . Mufla Vertical de 1200°C como temperatura máxima.. . pH digital OAKTON.. . Prensador Manual LABOR cap. 200 psi.. . en. . In g. ie. 1,0V).. ría. 5.1.3. . lio te. ca. de. Reactor tubular de acero inoxidable 30cm x 10cm.. Bi b. 5.2 MÉTODOS. Para activar el carbón se aplicó el método de activación química utilizando NaOH, previa carbonización de la materia prima, seguida de una activación térmica. 17. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En la carbonización, la materia prima es pirolizada en usencia de aire para volatilizar los componentes como CO, H2S y otros (materia volátil) y luego. ica. la activación misma del carbón a elevadas temperaturas. (Figura A – 4 en. uí m. apéndice). 5.2.1 Preparación de la antracita. Q. La antracita inicialmente es chancada y luego tamizada (en esta operación el carbón pasa por las mallas Tyler N°12 y 50, los gruesos. ría. que no pasan por la malla 12 se vuelven a chancar y tamizar respectivamente). La finalidad de esta operación es obtener un carbón. en. ie. con distribución de granos uniformes.. El carbón queda listo para realizar los análisis fisicoquímicos correspondientes y posteriormente aplicar el método diseñado para la. In g. obtención del carbón activado.. de. 5.2.2 Activación de la antracita. ca. Se pesa 2 gr de carbón y se añade 10 mL de una dilución de hidróxido de sodio ,luego se coloca en la mufla a 105°C por 12 h, la. Bi b. lio te. finalidad de esta operación es tener una mezcla solida, el cual se coloca en el reactor de activación, este se sella herméticamente y se empieza el proceso de carbonización, una vez llegada a la temperatura de activación (350°C-900°C) se empieza a controlar el tiempo de activación entre (1h y 2h) posteriormente se deja enfriar la muestra y se agrega una solución de HCL 5N hasta obtener un pH neutro. La muestra es enjuagada con agua destilada y luego secada a 110°C por 2 horas.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En este etapa se produce una estructura porosa altamente desarrollada las propiedades del carbón activo final dependen tanto de la materia. ica. prima como del método de activación empleado.. La formación de centros activos en el carbón se produce en la etapa. uí m. de carbonización y posteriormente, en el tratamiento térmico para la eliminación de sustancias volátiles. Uno de los problemas que se presenta es la obstrucción de los poros por deposición de sustancias. Q. amorfas.. ría. En la activación química, como resultado de la reacción del agente químico con los componentes orgánicos de la materia prima. Se evita. en. ie. la obstrucción de los poros por sustancias amorfas.. Conductividad de la antracita. In g. 5.2.3. En una luna de reloj se mezclan 2gr de carbón con una dilución de goma arábiga (0,5 gr de goma + 2ml de agua destilada) con la. de. finalidad de obtener una buena cohesión entre las partículas, se ponen a secar en la estufa por 30 minutos luego se colocan en los moldes. ca. de acero inoxidable (1,25cm x 1,2cm) y se obtienen unas pastillas.. lio te. Así el carbón queda lista para medir los voltajes en el Medidor De Conductividad De 4 Puntos.. Bi b. 5.2.4 Mediciones de conductividad. Para nuestro estudio, hemos empleado el método de los cuatro puntos coloniales, con el cual obtendremos la conductividad eléctrica del material a estudio (carbón antracita activado químicamente), para ello se hizo pellets circulares, con un diámetro de 2,0cm y con un espesor 19. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. que varía según el contenido de carbón en cada muestra desde 0,2 a 0,3 cm. Posteriormente fueron llevados a un molde circular de acero. aplicando una presión de 150 psi durante 1 minuto.. ica. inoxidable para ser comprimidas en una prensa manual LABOR. uí m. Utilizando una fuente de voltaje y corriente variable, un multitester digital y un reóstato 1000KΩ. Se procedió luego a obtener los valores. de voltaje y corriente colocando cuatro terminales, dos terminales en. Q. el centro del material y los otros dos terminales son usados para el ingreso de corriente a la muestra y se colocan de forma lineal, así la. ría. resistividad es calculada siguiendo la siguiente relación matemática ecuación (1), para luego calcular su conductividad la cual es la. en. ie. inversa de la resistencia encontrada.. (1). =Resistividad =Voltaje = Fuente de Corriente = Espesor de la muestra. lio te. ca. de. In g. Ecuación para conductividad:. Bi b. 5.3 VARIABLES DE ESTUDIO. Temperatura de activación: 350, 750 y 900°C Tiempo de activación: 1 y 2 h. Concentración de NaOH: 1M a 10 M 20. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. Parámetros:. Tamaño de partícula: Malla Tylor: +50 a -12. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. Relación Disolución NaOH (mL) / Carbón (g): 5/1. uí m. Peso de muestra: 2 g.. VI RESULTADOS Y DISCUSION 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 6.1. Influencia de la temperatura de activación.. ica. Se estudió la influencia de la temperatura de activación sobre la capacidad conductora de la antracita. Los resultados que se muestran en la Tabla N° 1 y Figura 1, indican que a medida que se incrementa la temperatura, la. uí m. capacidad de conducción de la antracita se incrementa notablemente cuando la activación se realiza a 900 °C. De acuerdo a [12] los grupos superficiales. que se forman a 900 °C corresponden fundamentalmente a grupos. Q. quinónicos y fenólicos, los cuales tienen la capacidad de conducir corriente eléctrica, en consecuencia, el incremento en la conductividad de la antracita. ría. se debería a la presencia de electrones deslocalizados generados en los planos basales de dicho carbón. Se conoce también que la antracita al ser un. ie. carbón muy compacto, requiere de altas temperaturas para poder generar. en. cambios en su estructura, tanto superficial como en sus planos basales. [11] No se trabajó a mayores temperaturas por problemas de equipamiento, pues. In g. la mufla en la cual se realizaban las activaciones alcanza como máximo 920 °C.. de. Cabe señalar que la antracita sin tratamiento previo no tiene capacidad de. lio te. ca. conducir la corriente eléctrica. Bi b. Tabla N° 1 Influencia de la temperatura de activación, tiempo de activación 1h, 10 mL NaOH 1M. Temperatura (°C) 350 750. Conducción  ( S/cm) 6,05 x 10-5 6,85 x 10-5 22. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 7,78 x 10-4. Influencia de la concentración de NaOH.. en. 6.2. ie. ría. Q. uí m. ica. 900. Se estudió la influencia de la concentración de NaOH utilizada en la. In g. activación físico- térmica de la antracita. Los resultados se muestran en la Tabla Nº 2 y Figura 2, donde se muestra que el efecto del NaOH desde el punto de vista de la conductividad es beneficioso hasta una concentración. de. 5M de NaOH, es decir que hasta esa concentración prevalecerían estructuras en los planos basales de la antracita que facilitan la conductividad. Sin. ca. embargo, cuando ésta se incrementa la activación del carbón es mucho mayor ocasionando una mayor porosidad y en consecuencia la capacidad de. lio te. conducción disminuye.. Bi b. Tabla N° 2 Influencia de la concentración de NaOH. Tiempo de activación 1h, 900 ºC Concentración de NaOH 1M 2M 5M. Conducción  ( S/cm) 7,78 x 10-4 9,44 x 10-4 1,08 x 10-3 23. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 4,78 x 10-5. en. ie. ría. Q. uí m. ica. 10 M. Para establecer si la temperatura y/o la concentración del NaOH son los. In g. agentes que predominan en la activación del carbón, se realizaron ensayos a 750 °C y a diferentes concentraciones de NaOH.. de. Los resultados que se muestran en la Tabla N°3 y Figura N°3, indican que el incremento de la concentración de NaOH no genera un incremento sustancial en la conductividad del carbón, situación contraria al observado en. ca. el caso de la temperatura a 900°C. Por lo que se puede decir que el factor de mayor influencia en la modificación del carbón antracítico sería la. lio te. temperatura. Bi b. Tabla N° 3. Influencia de la concentración de NaOH, activación a 750 °C. Tiempo de activación 1h. Concentración de NaOH 1M 2M 5M 10 M. Conducción  ( S/cm) 6,85 x 10-5 6,80 x 10-5 7,56 x 10-5 8,01 x 10-5 24. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Influencia del Tiempo de Activación.. en. 6.3. ie. ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. In g. Se estudió la influencia del tiempo de activación para diferentes concentraciones de NaOH, los resultados se muestran en las Tablas Nº 4, 5 y 6.. de. Tabla N° 4 Influencia de tiempo de activación, NaOH 1M. Temperatura 900 °C. Conducción  ( S/cm) 7,78 x 10-4 9,60 x 10-4 1,08 x 10-4 2,78 x 10-5. Bi b. lio te. ca. Tiempo (h) 1 2 5 8. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. en. Conducción  ( S/cm) 1,08 x 10-3 2,21 x 10-3 3,73 x 10-3 1,30 x 10-4. Bi b. lio te. ca. de. In g. Tiempo (h) 1 2 5 8. ie. Tabla N° 5 Influencia de tiempo de activación, NaOH 5M. Temperatura 900 °C. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Conducción  ( S/cm) 1,45 x 10-3 9,10 x 10-4 8,08 x 10-5 1,01 x 10-5. In g. en. ie. ría. Q. uí m. Tiempo (h) 1 2 5 8. ica. Tabla N° 6 Influencia de tiempo de activación, NaOH 7 M., a 900 °C. de. Se observa que, tiempos largos de activación no son beneficiosos para obtener carbones conductores, pues al parecer lo que se consigue es una alta destrucción de los planos basales del carbón. Una medida de ello fue la. ca. pérdida de peso del carbón que para 8h de activación disminuyó en más del 40 %, lo cual conlleva a la generación de carbones altamente porosos. Se. lio te. requiere realizar mediciones de porosidad del carbón para poder verificar si el grado de porosidad afecta la estructura del carbón como conductor.. Bi b. Un tiempo de 5h de activación con NaOH 5M, parecen ser las condiciones ideales que permiten obtener una estructura de carbón con mayor conductividad. Aunque no se han realizado estudios si algunos iones sodio quedan fijados en la estructura del carbón durante la etapa de activación térmica.. 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En la búsqueda bibliográfica realizada, no se han encontrado reportes si los iones sodio que forman parte de una estructura de carbón influyen en la. ica. conductividad. Al parecer la actividad de los iones sodios estaría centrada principalmente en. uí m. destruir parte de la estructura de los planos basales del carbón y generar los. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. electrones deslocalizados.. 28 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: CONCLUSIONES. ría. 7.1. Q. VII.. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En el estudio de carbón activado a partir de antracita para conducir corriente. en. ie. eléctrica, se ha llegado a las siguientes conclusiones:. 1. Se ha logrado obtener un carbón activado a partir de la antracita con. In g. capacidad de conducir corriente eléctrica 2. Las condiciones de preparación para obtener un carbón activado con mayor. de. capacidad conductora son: 900 °C, 5h y NaOH 5M. 3. La combinación de temperatura y solución de agente activante NaOH son. Bi b. lio te. ca. los principales factores que influyen en la capacidad conductora del carbón. 29 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RECOMENDACIONES 1.. Continuar el estudio pero utilizando temperaturas de activación superiores. ica. 7.2. 2.. uí m. a 1000°C.. Determinar si la adsorción de compuestos sobre la superficie del carbón. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. activado influye sobre su capacidad conductora de corriente eléctrica.. 30 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. VIII. BIBLIOGRAFIA 1. Jesús M. Siqueiros, Jesús Heiras1, Oscar Raymond, Alejandro Durán, Jorge. ica. Mata, Ma. Paz Cruz, Jorge Portelles, Nelson Suárez, Reynaldo Font.. “Centro de Ciencias de la Materia Condensada.” UNAM, Ensenada, B. C.,. uí m. MÉXICO y Facultad de Física, Universidad de La Habana,La Habana Cuba.. 2. J. Vilcakova , P. Saha , O. Quadrat. “Electrical Conductivity of. Q. CarbonFibres/Polyester Resin Composites in the Percolation Threshold Region”,Tomas Bata University in Zlín. Czech Republic-2002.. ría. 3. Sihai Wen, D.D.L. Chung. “The Role of Electronic and Ionic Conduction in the Electrical Conductivity of Carbon Fiber Reinforced Cement”State. en. ie. University,Buffalo of New York -2006.. 4. Yoon Jin Kim , Taek Sun Shin , Hyung Do Choi , Jong Hwa Kwon ,Yeon-. Modified. In g. Choon Chung , Ho Gyu Yoon. “Electrical Conductivity of Chemically Multiwalled. Carbon. Nanotube/Epoxy. Composites”.Korea. University,South Korea -2004.. de. 5. L. John Kennedy, J. Judith Vijaya, G. Sekaran. “Electrical Conductivity Study Of Porous Carbon Composite Derived From Rice Husk”. Department. ca. of Environmental Technology y Chemistry, Tamil Nadu, India- 2004. http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica.. lio te. 6.. 7. http://www.oviedo.es/personales/carbon/cactivo/impqcatex.htm.. Bi b. 8. J.A.Marciá-Agulló, B.C. Moore, D. Cazorla- Amorós, A. Linares –Solano. “Activation of Coal tar Pitch Carbon Fibres: Physical Activation vs. Chemical Activation”. Departamento de Química Inorgánica, Universidad de Alicante, Spain-2004.. 31 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 9. M.A. Lillo – Ródenas, D. Lozano Castelló, D. Cazorla – Amorós, A. Linares – Solano. “Preparation of activated carbons from Spanish anthracite II.. ica. Activation by NaOH”. Departamento Química Inorgánica, Universidad de Alicante, Spain- 2000.. uí m. 10. Hanson, B. E. King, R. B., Ed., John Wiley and Sons. “Encyclopedia of Inorganic Chemistry”. New York, 1994; Vol. 7, p 4056. Lillo-Rodenas,. D.. Cazorla-Amoros,. A.. Linares-Solano.. “U. Q. 11. M.A.. nderstanding Chemical Reactions between Carbons and NaOH and KOH.. ría. An Insight into the Chemical Activation Mechanism”. Departamento de Química Inorgánica, Universidad de Alicante, Spain-2002.. ie. 12. Shalimova, K.V. Medidas de Resistividad y Efecto Hall. Fisica de los. en. semiconductores, Ed. Mir, Aptos. 1-4 y 1-5.. 14. KEITHLEY. In g. 13. Regodón, J. La Ciencia y el Método Científico. Marzo-2002. .Low. Level. Measurements. Handbook. 6ta. Edicion. www.keithley.comat027.html.. de. 15. KEITHLEY Four- Probe Resistivity and Hall Voltagev Measurements with the Model 4200-SCS. Copryright Keithley Instruments, Inc. Nº.2475. Bi b. lio te. ca. printed in the U.S.A. 0104.. 32 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. APENDICE. 33 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. A.1.. Método de cuatro puntos coloniales. ica. En este método dos de las puntas son colocadas en el centro del material, como se muestra en la Figura A - 1; las otras dos puntas son usadas para el ingreso de corriente a la muestra y se coloca de forma colineal a las dos puntas. uí m. anteriores, así la resistividad es calculada siguiendo la siguiente relación matemática ecuación (1), para luego calcular su conductividad la cual es la. Q. inversa de la resistividad encontrada [11] [13].. (A -1). ie. ría. Ecuación para conductividad:. en. Donde,. Bi b. lio te. ca. de. In g. = Resistividad = Voltaje = Fuente de Corriente = Espesor de la muestra. Figura A -1: Esquema del sistema de cuatro puntos coloniales.. 34 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. A.2 Método de van Der Pauw. La muestra a medir debe ser uniforme y delgada, puede tener una forma. arbitraria pero no debe tener agujeros, islas no conductoras o inclusiones; los. uí m. contactos se sitúan en la periferia de la muestra, otros factores a tener en cuenta a la hora de realizar las medidas es que el diámetro medio de los contactos (D). y el espesor de la muestra (d) tiene que ser mucho menor que la distancia entre. Q. los puntas (L).. ría. En este método las puntas pueden disponerse en cuadrado como se muestra en la Figura A - 2, en esta caso se pasa una corriente entre dos de los contactos,. ie. mientras se mide el diferencial de potencial entre los otros dos.. en. De esta manera hasta se puede obtener ocho valores de voltaje si pasamos la intensidad cada vez en los dos sentidos entre cada dos puntas. Estas dos medidas. In g. nos permiten comprobar que la muestra es uniforme y que no existe ningún problema en los contactos.. de. (A - 2). En el caso de que las puntas se encuentren igualmente distanciadas y que el. ca. valor de las resistencias sea el mismo, la ecuación anterior se puede simplificar, obteniendo una expresión directa para obtener la resistividad y por tanto la. (A -3). Bi b. lio te. conductividad.. 35 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. Figura A - 2: Esquema del sistema de Van Der Pauw utilizado para realizar mediciones de conductividad [14].. Figura A - 3: Esquema del sistema de cuatro puntos coloniales [15]. 36 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Figura A – 4: Modificación de la Estructura del Carbón por Activación para Conducir Corriente Eléctrica. 37 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

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