Análisis experimental de almacenamiento de hidrógeno en estructuras sólidas

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

UNIDAD “ZACATENCO”

ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE

ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO EN

ESTRUCTURAS SÓLIDAS

T E S I S

PARA OBTENER EL GRADO DE

DOCTORADO EN

CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN

DISEÑO

P R E S E N T A

M. en I. IVÁN ALBERTO VÉRTIZ MALDONADO

BAJO LA DIRECCIÓN DE:

(2)

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación Unidad Zacatenco

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

SERETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

CARTA CESIÓN DE DERECHOS

En la Ciudad de México el día 18 del mes de enero del año 2012, el (la) que suscribe M. en I. Iván Alberto Vértiz Maldonado alumno (a) del programa de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica con número de registro A080782 , adscrito a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica , manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección de Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón y Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa y cede los derechos del trabajo titulado “Análisis Experimental de Almacenamiento de Hidrógeno en Estructuras Sólidas” , al Instituto Politécnico Nacional Para su difusión con fines académicos o de investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección [email protected] . Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

(3)

(4)

DEDICATORIA:

A mis padres y hermanos por cuidarme y trasmitir el espíritu de lucha y perseverancia contra cualquier adversidad.

A mi esposa Sarahi, que me acompaña por la vida con pasión, amor y fortaleza

A las personitas que me brindaron la alegría de ser padre, motivo de felicidad y orgullo en mi paso por el mundo, Naiobi y Kénion

(5)

AGRA DECI MI EN TOS :

El desarrollo de esta investigación, ha sido posible con la colaboración de las siguientes personas e instituciones a quienes expreso mi gratitud:

AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Por mi formación académica a nivel posgrado.

A MIS DIRECTORES DE TESIS Y MIEMBROS DE LA COMISIÓN REVISORA:

DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN

Por la disponibilidad y asesoría brindada en el desarrollo del presente trabajo y a lo largo de toda la investigación.

DR GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA

Por haber aceptado este proyecto conmigo y con ello, guiarme y compartir sus conocimientos con dedicación y paciencia.

A LOS RESTANTES MIEMBROS DE LA COMISIÓN REVISORA:

DR. LUIS HECTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ DR. CARLOS TORRES TORRES

DR. JUAN MANUEL SANDOVAL PINEDA

A LA E.S.I.M.E.

Por brindarme la oportunidad de realizar este proyecto y por el apoyo económico a través del CONACyT .

A LOS DOCTORES DEL CIITEC, ESIQIE Y CINVESTAV

(6)

AL INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO

(7)

ÍNDICE

ÍNDICE DE TABLAS ... 11

I. RESUMEN ... 17

II. ABSTRACT ... 19

III. INTRODUCCIÓN ... 20

IV. HIPÓTESIS DEL TRABAJO ... 23

V. PLAN DE MEMORIA ... 24

VI. OBJETIVOS ... 26

o Objetivo General. ... 26

VII. JUSTIFICACIÓN ... 27

ESTADO DEL ARTE ... 30

1.1 Compendio ... 31

1.2 Antecedentes ... 31

1.3 Razones para desarrollar el uso de Hidrógeno ... 33

1.4 Abundancia ... 34

1.5 Factibilidad propiedades y usos del Hidrógeno ... 35

1.5.1 Propiedades del Hidrógeno ... 37

1.5.2 Principales compuestos del Hidrógeno ... 37

1.5.3 Preparación del Hidrógeno ... 37

1.5.4 Usos no energéticos ... 38

1.5.5 Usos energéticos ... 39

1.6 Perspectiva del Hidrógeno ... 39

1.7 Seguridad en el uso del Hidrógeno ... 42

1.8 Características del gas ... 42

1.8.1 Almacenamiento del Hidrógeno ... 44

1.8.2 Compuestos de Hidrógeno ... 46

1.9 Hidruros ... 48

1.10 Magnesio ... 50

(8)

1.10.2 Peligros en el uso de Magnesio ... 53

1.10.3 Efectos ambientales del Magnesio ... 53

1.10.4 Reacciones del Magnesio con el agua ... 55

1.10.5 Solubilidad ... 56

1.10.6 Presencia en el agua y usos frecuentes ... 56

1.11 Almacenamiento de Hidrógeno para uso en celdas de combustible ... 57

1.12 Celda de combustible ... 60

1.12.1 Tecnología ... 61

1.13 Formas de almacenamiento ... 62

1.13.1 Hidrógeno líquido ... 62

1.14 Sumario ... 64

Generalidades... 65

2.1 Generalidades ... 66

2.2 Hidruros ... 70

2.3 Reseña de la propuesta ... 76

2.4 Requerimientos para experimentación ... 78

2.4.1 Procesamiento de polvos... 78

2.4.2 Fragmentación y área superficial ... 79

2.5 Metodología para el procesamiento de polvos ... 80

2.5.1 Parámetros ... 81

2.5.2 Definición de polvo ... 82

2.5.3 Información cuantitativa necesaria en el uso de polvos ... 85

2.5.4 Aleación mecánica ... 86

2.5.5 Molinos para aleación mecánica. ... 87

2.6 Vía de aplicación a la investigación ... 88

2.7 Sumario ... 90

Hidrogenación ... 91

3.1 Tecnologías de Almacenamiento de Hidrógeno ... 92

3.1.1 Fase gas. ... 92

3.1.2 Fase líquida. ... 92

3.1.3 Fase sólida... 93

3.2 Hidrógeno en Hidruros binarios ... 94

3.3 Categorización de los Hidruros ... 99

3.3.1 Hidruros Iónicos. ... 99

(9)

3.4 Formación del Hidruro metálico. ... 100

3.5 Termodinámica de reacción ... 106

3.6 Procesamiento de polvos ... 110

3.7 Procedimiento de Hidruración ... 121

3.8 Análisis Termogravimétrico ... 124

3.9 Sumario ... 129

contenedor ... 130

4.1 Concepto Mecánico del sistema contenedor ... 131

4.1.1 Definición de Reactor Químico. ... 131

4.1.2 Ecuación de Rendimiento y tipos de reactores. ... 132

4.2 Comprensión del problema (metodología QFD) ... 134

4.2.1 Requerimientos ... 135

4.2.2 ponderación de requerimientos ... 136

4.2.3 Análisis (benchmarking) a sistemas que realizan el proceso ... 142

4.2.4 Traducción de los requerimientos y expectativas en términos mensurables de ingeniería... 146

4.2.5 Establecer las metas de diseño ... 149

4.2.6 Función global ... 151

Figura 4.2 Funciones de servicio del reactor de Hidrógeno. ... 151

4.2.7 LÍmites del sistema y función descendente ... 151

4.3 Desarrollo del contenedor ... 159

4.4 Definición del volumen necesario ... 160

4.5 Obtención de las dimensiones del recipiente ... 163

4.6 Concepto mecánico del contenedor ... 168

4.6.1 Cálculo del casco ... 169

4.6.2 Cálculo de tapas ... 173

4.7 Sumario ... 176

Transferencia ... 177

5.1 Desarrollo térmico... 178

5.1.1Transferencia de calor ... 178

Sustituyendo valores se tiene que: ... 182

5.2 Funcionamiento del dispositivo reactor ... 184

5.3 Sumario ... 186

energía acumulada ... 187

(10)

6.2 Análisis energético dentro del sistema ... 189

VIII.Conclusiones ... 196

IX. Recomendaciones para trabajo futuro ... 198

X. Anexo: Modelación ... 199

XI. Características ... 200

XII. Resultantes ... 201

(11)

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla Titulo Pagina

Tabla 1.1 Propiedades generales del Hidrógeno 49

Tabla 1.2 Propiedades generales del Magnesio 54

Tabla 2.1 Cantidad de H2 almacenado por unidad de volumen en

diferentes estructuras 73

Tabla 2.2 Características Adsorción-Desorción Alanatos de Sodio

y Litio 74

Tabla 2.3 Los seis métodos y fenómenos básicos de almacenamiento de Hidrógeno

(pm = Densidad gravimétrica; pv = Densidad volumétrica

74

Tabla 2.4 Algunos importantes compuestos intermetálicos

formadores de hidruros. 75

Tabla 2.5 Características de proceso de molienda en molino de

Bolas 81

Tabla 3.1 Relación de temperatura de obtención vs entalpia de

activación 94

Tabla 3.2 Características de almacenamiento para diversas

tecnologías de almacenaje 97

Tabla 3.3 Categorización de Hidruros Metálicos 99

Tabla 3.4 Variable de calor de adsorción y energía de activación 101

Tabla 3.5 Características de molino Simoloyer 114

Tabla 3.6 Cuantificaciones en % en peso de H2 en desorción 129

Tabla 4.1 Desarrollo y nomenclatura de la matriz 138

Tabla 4.2 Matriz de requerimientos 139

(12)

Tabla 4.4 Requerimientos obligatorios y opcionales para el diseño

del dispositivo 141

Tabla 4.5 Tipos de sistemas para Hidruración 143

Tabla 4.6 Sistema de calificación para el benchmarking 144

Tabla 4.7 Cuantificación del benchmarking 145

Tabla 4.8 Traducción de requerimientos en términos cuantificables 148

Tabla 4.9 Metas de diseño en términos cuantificables 150

Tabla 4.10 Matriz morfológica de las funciones 156

Tabla 4.11 Condiciones de almacenaje del Hidrógeno

comercializado norma DOT 3AA 2400 160

Tabla 4.12 Uso de los materiales según ASTM 168

Tabla 5.1 Condiciones de diseño para dispositivo reactor 180

(13)

INDICE DE FIGURAS

Figura Titulo Pagina

Figura 1.1 Enlace de Hidrógeno 44

Figura 1.2 Características del Magnesio 51

Figura 1.3 Corte transversal de Magnesio de 100 nm. sobre un

substrato de vidrio 59

Figura 1.4 Imagen mediante microscopia electrónica de

transmisión de nanopartículas de Magnesio de 5 nm 59

Figura 1.5 Celda de Hidrógeno. 60

Figura 1.6 Esquema de funcionamiento de una celda de

combustible 61

Figura 1.7 Celda de combustible de agua directa, (Direct Water

Fuel Cell = DWFC) 64

Figura 2.1 Métodos de almacenamiento de Hidrógeno y variables

tecnológicas 66

Figura 2.2 Comparación del volumen de almacenamiento de tanque a presión, criogénico, Hidruro y alanato de 4kg de H2 para un vehículo

68

Figura 2.3 Representación de H2 contenido en el metal (Curva

PTC) 69

Figura 2.4 Estructura tetragonal centrada en el cuerpo 71

Figura 2.5 Estructura del Alanato de Litio 71

Figura 2.6 Metales de transición, incluyendo los lantánidos y

actínidos 72

Figura 2.7 Caracterización de Polvos 79

Figura 2.8 Formas de partículas obtenidas en diferentes procesos

(14)

Figura 2.9 Formas de procesamiento de polvos por atomizado

P/M (Powder Metalurgy) 84

Figura 2.10 11 Formas de procesamiento de polvos por molienda

P/M 85

Figura 2.11 Principio de funcionamiento del Molino de bolas 87

Figura 2.12 Conformación de Molino Planetario 88

Figura 3.1 Formas de almacenamiento de Hidrógeno 96

Figura 3.2 Adhesión de Hidrógeno al contenedor con molienda de

Magnesio 102

Figura 3.3 Ciclo de Fisisorción del Hidrógeno 103

Figura 3.4 Ciclo de Quimisorción del Hidrógeno 103

Figura 3.5 Isoterma presión-composición (PCI) 104

Figura 3.6 Isotermas presión composición y grafico de Van Hoff 105

Figura 3.7 Comportamiento del material en la fase alfa 105

Figura 3.8 Fase β ó Nucleación 106

Figura 3.9 Diagrama de Lennard-Jones 108

Figura 3.10 Efecto de área superficial por fragmentación 111

Figura 3.11 Modelo del efecto de tamaño de grano sobre la

reacción MgH2 113

Figura 3.12 Molino de bolas de alta energía Simoloyer CM01-21 114

Figura 3.13 Dimensiones de la cámara de molienda 115

Figura 3.14 Coeficiente de llenado de medio de molienda 115

Figura 3.15 Volumen de polvos en la cámara 116

(15)

Figura 3.17 Sistema de acoplamiento líneas de flujo y mallado de

Molino Simoloyer CM01-21 118

Figura 3.18 Polvo de Magnesio comercial 119

Figura 3.19 Polvo de Magnesio 12 horas de molienda 120

Figura 3.20 Efecto de Hidrogenación con tamaño de partícula dp >

100 µm y dp < 100 µm 120

Figura 3.21 Micrografía para la determinación de tamaño de

partícula 121

Figura 3.22 Reactor químico continuo 122

Figura 3.23 Funcionamiento del sistema 124

Figura 3.24 Analizador termogravimétrico 125

Figura 3.25 Codificación para identidad de experimentos 125

Figura 3.26 Análisis termogravimétrico MH-N2-5 127

Figura 3.27 Análisis termogravimétrico MH-N2-10 127

Figura 3.28 Análisis termogravimétrico MH-He-5 128

Figura 4.1 Ponderado de requerimientos opcionales 141

Figura 4.2 Funciones de servicio del reactor de Hidrógeno 151

Figura 4.3 Función global de obtención del Hidruro 152

Figura 4.4 Función descendente del sistema nivel A0 153

Figura 4.7 Instrumentación del sistema nivel A4 157

(16)

Figura 4.9 Dimensión del contenedor para volumen de 1 kg. de H2Mg

165

Figura 4.10 Incremento de la tensión en las paredes de un

contenedor base % de llenado 166

Figura 4.11 Incremento del 25 % en el volumen calculado 166

Figura 4.12 Comparativo de contenedores gas a presión vs

hidruración. 167

Figura 5.1 Análisis térmico en una sección tubular. 179

Figura 5.2 Análisis de transferencia de calor para condiciones

(17)

I. RESUMEN

Actualmente existen varios métodos de molienda comerciales para la asistencia de procesamiento de polvos. Las operaciones de molienda de polvos se asisten por sistemas mecánicos de diversos tipos, para el presente trabajo se utilizó molienda de alta energ ía. El desarrollo de procesos de obtención de Hidruros, es más acelerado y eficiente si el metal anfitrión se procesa en polvo previamente, el objetivo de la investigación consiste en auxiliar al proceso, mediante la molienda previa del metal y aportar beneficios significativos para la adsorción del Hidrógeno y de esta manera, favorecer la eficiencia en el almacenaje del gas.

Bajo este contexto, en esta tesis se trabajó particularmente en la correlación de un proceso, que apoye la adsorción del Hidrógeno y proponga un sistema funcional y eficiente. El trabajo consiste en la obtención de un polvo de Magnesio para la formación de MgH2, mediante

la adhesión de Hidrógeno en fase gaseosa, cabe mencionar que el Mg, es un elemento competitivo en almacenaje de Hidrógeno, generando una oferta que permite proponer una herramienta, funcional y simple para este fin.

En efecto para ser una propuesta competitiva, involuc ra analizar las características de los Hidruros y dentro de un marco metodológico, determinar las ventajas y desventajas de estos, para así poder definir las características funcionales que formarán parte del experimento.

(18)

molecular, que en su conjunto sea sutil y con el menor número de procesamientos posibles, sin que esto afecte las necesidades funcionales que se requieren del material.

(19)

II. ABSTRACT

Nowadays there are several commercial high energy milling devices for surgical assistance on the preparation of magnesium powder fo r hydrogen storage. The milling powder operations could be a ssisted with different operations in this case it was used a high energy milling system. The surgical hydride process currently development is more efficient in powder metal. The assisted hydride objective is to help processing powder during the hydriding forming and make important benefits.

.

In this context, this thesis concerns the design process to provide an efficient formation of metal hydride and simplify the adsorption. The objective is to obtain powder magnesium to create a metal hydride w ith Hydrogen addition in gas phase, in fact the magnesium is a competitive element for this proposal, and has been prepared with a technology that provides a functional and simple tool.

In order to be competitive, the thesis analyzes the characteristics of the hydrides using a methodology to determine advantages and disadvantages in order to define the functional characteristics of the experiment.

The main objective of this analysis is to propose the construction of a device to economically process to product , without affecting material functionally.

(20)

III. INTRODUCCIÓN

Actualmente los avances científicos y tecnológicos , permiten desarrollar equipos e instrumentos sofisticados que facilitan las tareas cotidianas del hombre e inclusive le permiten realiza r acciones que antes no eran posibles. Este impacto tecnológico ha alcanzado todos los sectores , incluyendo las ciencias enfocadas a la tecnología del Hidrógeno; a tal grado que en nuestros días ya es posible experimentar con tecnologías que permiten el uso de celdas de hidrógeno, para generar energía eléctrica y sustituir la conexión directa en los equipos por una generación móvil de electricidad, con un almacenamiento del gas a presiones moderadas y concentraciones importantes.

El problema surge en el manejo del hidrógeno ya que se necesitan condiciones muy estrictas, difíciles de alcanzar y con un costo elevado, por ejemplo para alcanzar el estado líquido del hidrógeno , se necesitan temperaturas criogénicas o para mantener una concentración importante en estado gaseoso, son necesarias altas presiones, de manera que en este trabajo se busca enfocar las ventajas del almacenaje en fase sólida , para el fortalecimiento de la tecnología del hidrógeno y su autonomía.

Hoy la humanidad se enfrenta a problemas relacionados con el sector energético, ya que hasta nuestros días este sector se basa en el proceso de hidrocarburos derivados del petróleo , para la obtención de la energía, que produce la mayor parte de la contaminación ambiental y a su vez influye en problemas más graves, como el cambio climático.

(21)

investigaciones que han ofrecido buenos resultados e inclusive mantienen un nivel competitivo. Sin embargo México no cuenta con la infraestructura necesaria para destacar en este ramo; por esta razón la mayoría de los equipos e instrumentales, son adquiridos en el mercado internacional. Alemania, Japón y EUA son algunos de los países que sobre salen en este mercado. En los laboratorios de nuestro país , es común encontrar equipos de procedencia alemana o estadounidense, las marcas que destacan son: Siemens, Parr y Simoloyer, por citar algunas. No obstante, es importante mencionar que las instituciones de educación e investigación mexicanas , cuentan con los recursos y personal necesarios para poder desarrollar equipos de fabricación nacional, que cumplan con las expectativas deseadas. Es por ello que el presente trabajo , presenta una opción factible y económica para satisfacer una de las muchas necesidades y dificultades a las que se enfrenta la tecnología del Hidrógeno , para convertirse en un vector energético predominante.

(22)

La combustión moderna representa una de las ramas más desarrolladas de la ingeniería en energéticos. El campo de la generación de energía es muy vasto, y abarca los campos industrial, doméstico y de transporte . En todos los casos una de las prioridades , después de cumplir con el suministro confiable de energía, es la preservación ambiental y la búsqueda del llamado factor cero emisión, mal utilizado actualmente por la industria del gas natural y el etanol, que si bien es verdad son menos contaminantes que los hidrocarburos convencionales, no son cero emisiones y por lo tanto tampoco la solución r eal.

Una de las técnicas que han contribuido ampliamente para alcanzar este objetivo, es el caso de la mencionada tecnología que emite como resultado del proceso, solo calor y agua. Esta técnica pretende beneficiar tanto al medio ambiente como a la soluci ón de una posible crisis energética, ya que el Hidrógeno es el elemento más abundante en la tierra y se encuentra tanto en el aire como en el agua.

Con la finalidad de hacer más eficiente el uso del Hidrógeno , se ha estudiado la formación de Hidruros Metálicos que son compuestos base metales de transición, que secuestran a la molécula de hidró geno, convirtiéndola en parte de la fase s ólida del compuesto y permitiendo almacenajes importantes a presiones considerablemente más bajas que el almacenamiento a presión y ocupando un porcentaje mínimo de volumen comparado a la fase líquida o gaseosa.

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El método de obtención propuesto en este trabajo , cumple con los requerimientos de adsorción y desorción que exige esta aplicación, también se formulan muchos aspectos relacionado s al proceso de obtención y a la simplificación de la cinemática, separando el problema cinemático en dos partes, en primera instancia se analizaron los efectos que se requieren en la adsorción , que viene a ser el efecto final del almacenamiento y por otro lado, se analizó la arquitectura que debe tener el compuesto para ser funcional.

IV. HIPÓTESIS DEL TRABAJO

El presente trabajo de tesis, plantea realizar el análisis experimental de la formación de un Hidruro Metálico con Magnesio, basado en la molienda de alta energía. La manera en que se plantea la solución hipotética de este problema es la siguiente:

El diseño de cualquier molienda, deben considerar diversos factores que influyen en la partícula, por lo cual se afirma que mediante la molienda de alta energía se puede alcanzar tamaños y forma de la partícula, que influyan en la cinética de formación del Hidruro de Magnesio, en gran medida por el tiempo en que esta se lleve a cabo y por factores como la relación de bolas contra cantidad de material a proces ar, asimismo se afirma que basado en el tamaño de partícula se puede alcanzar una cantidad en peso de Hidrogeno competente con respecto al valor teórico de 7.6 %. Identificado en el Hidruro de Magnesio, para lo cual se plantea el siguiente procedimiento.

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que influirán dentro del sistema y del proceso de transformación o hidruración, tales como temperaturas y presio nes de equilibrio, posteriormente se analizarán las características de las tecnologías de almacenamiento y se puntualizarán las ventajas y virtudes de la fase sólida, respecto a las fases líquida y de gas. La otra parte del problema , consiste en definir parámetros específicos de trabajo de l sistema, que permita la obtención de la fase sólida del gas, por medio del proceso de hidruración para el Mg. Finalmente se planteará el modelo conceptual del reactor que conformará tanto el efecto final de formación del Hidruro, como el almacenamiento a fase solida del gas; para posteriormente ser manipulado en el contenedor definido para esta aplicación y verificar su desempeño cinemático, realizando el modelo 3D de todo el conjunto y sometiéndolo a pruebas en un simulador asociado al CAE.

V. PLAN DE MEMORIA

La memoria está compuesta de seis capítulos.

El capítulo uno permite al lector, familiarizarse con el tema que lleva a cabo la explicación e introducción a las consideracion es técnicas que definen al Hidrógeno como el vector energético del futuro, haciendo referencia a sus cualidades y problemáticas en la formación de estructuras sólidas, así como del impacto de su uso , en este ámbito, se mencionan los acontecimientos relevantes en estos temas y los avances logrados hasta la fecha.

(25)

contienen los Hidruros, comenzando con una recopilación de todos los requerimientos que se demandan como parte del proceso de formación eficiente. Todos estos requerimientos son analizados y caracterizados, para posteriormente traducirlos en términos de ingeniería, esto permite la definición de las exigencias técnicas y el planteamiento de las metas del análisis. Toda esta información es concentrada y evaluada en el gráfico de funciones globales del sistema.

El capítulo tres es la segunda parte de la sistemática, en este capítulo se clarifican todos los requerimientos del proceso de formación del Hidruro y se resume el proyecto del experimento como un preámbulo a las consideraciones técnicas, que definen la causa de hidruración como método de almacenamiento de Hidrógeno, haciendo referencia a sus cualidades y problemáticas en la formación de estructuras sólidas, se realizan funciones bien definidas, las cuales son planteadas a partir del método gráfico de análisis funcional descendente, que es un método que analiza el modelo como una caja neg ra que debe ser aclarada conforme se va avanzando en el experimento del modelo funcional.

Los capítulos cuatro y cinco comienzan con la descripción del desarrollo técnico que especifica las características del co ntenedor que almacenará el Hidrógeno en fase sólida, concibiendo todo el proceso de hidruración, analizando los elementos que intervi enen y las variables del contenedor, para así definir por un lado la funcionalidad del modelo y por otro lado el concepto cinemático del modelo final.

(26)

utilizado. Como parte de la memoria de cálculo se incluyen los análisis teóricos de todos los elementos que forman parte del efecto final de conversión a energía eléctrica.

Finalmente en los anexos, se observa la simulación del modelo mecánico del contenedor, para la obtención del factor de seguridad, parámetro que permite la estimación de los componentes para la fabricación de un prototipo. El anexo contiene las hojas de simulación por elemento finito y las especificaciones conceptuales de los elementos que se ocuparon en el modelo del reactor, para la obtención del análisis desarrollado en el software y la representación del factor de seguridad.

VI. OBJETIVOS

o

Objetivo General.

Efectuar un análisis experimental de almacenamiento de Hidrógeno en fase sólida, que permita determinar una cantidad real del porcentaje en peso de Hidrógeno absorbido en un hidruro metálico, ten iendo como base o metal anfitrión al Magnesio.

Para lograr el objetivo general, se plantean los siguientes objetivos particulares:

o

Objetivos Particulares.

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Realizar el procesamiento del Magnesio, para la obtención de polvos por molienda de alta energía y efectuar la caracterización de los polvos obtenidos.

Obtener un valor real de almacenamiento en la fase sólida, que defina el porcentaje en peso obtenido de Hidrógeno en el Hidruro.

Definir las dimensiones generales del reactor contenedor, en base al porcentaje en peso obtenido y en relación al volumen de 7m3 de gas almacenado por el cilindro normativo 165/50 DOT 3AA2400.

VII. JUSTIFICACIÓN

Justificación ambiental

La problemática actual en uso de energías no renovables, cada día se vuelve más significativa y e l impacto ambiental es cada vez más agresivo. En la actualidad se crean proyectos que desarrollan estrategias y tecnologías capaces de reducir la contaminación y someter el uso de combustibles de origen fósil, esto es con el uso de fuentes a lternas de energía, como el uso de Hidrógeno, es por ello que es importante conocer sus ventajas, esto con el fin de fomentar la investigación de energías alternas para dar solución a problemas que hoy en día se presentan.

(28)

Hidrógeno, se puede mencionar que el subproducto de la combustión es vapor de agua y que su universalización podría permitir un sistema de producción, almacenamiento y consumo de energía descentralizado.

Justificación técnica

Uno de los inconvenientes de la implementación del Hidrógeno como fuente de energía, es su almacenamiento, el Hidrógeno puede ser almacenado como líquido criogénico en cont enedores térmicos (a -252 °C), como gas comprimido a alta presión en cilindros (200 a 800 bar), o en estado sólido combinando al Hidrógeno, con otros materiales mediante procesos de hidruración. Así el almacenamiento del Hidrógeno, se puede dividir en tres categorías de almacenamiento: líquido, gaseoso y sólido.

En esta investigación se propone la tercera forma de almacenamiento alternativo, una estructura sólida basada en la formación de Hidruros Metálicos, las ventajas de esta forma de almacenamiento radica n en la seguridad, así mismo se derivan otras ventajas como el fácil transporte, fácil manejo y condiciones físicas fáciles de alcanzar , para mantener el Hidruro en un estado de equilibrio.

Justificación económica

(29)

(30)

ESTADO DEL ARTE

1

(31)

1.1 Compendio

Debido al crecimiento de la población, las necesidades energéticas han demandado grandes cantidades de energía proveniente de combustibles fósiles, de manera que influye directamente en la escasez de los mismos y la generación de emisiones contaminantes [ 4].

El Hidrógeno se ha propuesto como una alternativa práctica, debido a que su utilización no genera ningún tipo de contaminante, únicamente calor y vapor de agua. Actualmente el uso del Hidrógeno, se basa en la alimentación de este gas a celdas de combustible para la generación de electricidad [ 7]_.

El Hidrógeno contiene mayor cantidad de energía por unidad de masa , pero menor energía por unidad de volumen, razón por la cual, uno de los retos a vencer en la utilización del Hidrógeno como combustible, es su almacenamiento, ya que en forma gaseosa se necesitan elevadas presiones y en forma líquida temperaturas criogénicas y tanques especiales [ 4].

1.2 Antecedentes

En la historia de la Química, la primera referencia del Hidrógeno como tal, aparece identificada formando parte del agua, por el inglés Henry Cavendish en 1766. Cavendish le da el nombre de aire inflamable. Más tarde, Antoine Lavoisier le da e l nombre de Hidrógeno, generador de agua

[ 1]_{. Antes de que finalizara el siglo XVIII, el Hidrógeno encontró su primera}

(32)

Más de un siglo después, Alemania lo empleó en sus dirigibles , para cruzar el océano Atlántico e incluso como combustible para la propulsión de los llamados zeppelines. Esta empresa concl uyó después de la catástrofe de Hinderburg en 1937 [ 1]. Antes y después de la segunda guerra mundial, el Hidrógeno se empleó como combustible de motores de vehículos de todo tipo, incluidos locomotoras y su bmarinos, pero sin gran éxito. Hecho en el cual se basa la predicción de que algún día el agua, bajo la forma de sus componentes Hidrógeno y oxígeno, serviría como fuente inagotable de energía [ 2]. El auge del carbón en el siglo XIX y del petróleo en el siglo XX, eliminó toda posibilidad del uso masivo del Hidrógeno. Solamente la industria química mantuvo la aplicación, primero con la producción de fertilizantes derivados del amoníaco y después con la necesidad de Hidrógeno para eliminar azufre y otros componentes de las gasolinas y gasóleos de locomoción o como complemento en las síntesis de productos derivados del petróleo, se mantuvo en el mundo una producción sustancial del Hidrógeno [ 5 ]_.

(33)

Actualmente, un gran número de prototipos de las principales marcas de automóviles y autobuses, ensayan celdas de combustible de tipos y combustibles diversos.

1.3 Razones para desarrollar el uso de Hidrógeno

Las razones principales, son de tipo ambiental y de previsión sobre el posible agotamiento del petróleo, que constituye la base energética actual del mundo y especialmente del transporte, uno de los medios más contaminantes [ 1]_.

El Hidrógeno es un elemento químico representado por la letra H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y

altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794, el Hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia visible del universo [ 6].

(34)

Sus principales aplicaciones industrial es son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes) [ 6].

El isótopo del Hidrógeno más común en la naturaleza, conocido como protio (término muy poco usado), tiene un solo protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, el Hidrógeno puede adquirir carga positiva (convirtiéndose en un catión compuesto únicamente por el prot ón) o negativa (convirtiéndose en un anión conocido como Hidruro) [ 8].

El Hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría d e los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones entre moléculas solubles [ 7]_{. Puesto que es el único átomo neutro, el}

estudio de la energía y del enlace del átomo de Hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo d e la presente investigación.

1.4 Abundancia

El Hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de átomos lo cual es una de las características que lo acreditan como un elemento importante para el desarrollo de energía. Este elemento se encuentra abundantemente en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2

(35)

En el universo, el Hidrógeno se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades son bastante diferentes a las del Hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del Hidrógeno no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen de la luz emitida por el Sol y otras estrellas) [ 10]. Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos solares las partículas interaccionan con la magnetósfera terrestre generando el fenómeno de la aurora [ 10].

Bajo condiciones ordinarias en la Tierra, el Hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo, el Hidrógeno gaseoso no es abundante en la

atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más fácilmen te que otros gases más pesados [ 6]_{. Aunque los átomos de Hidrógeno y las}

moléculas diatómicas de Hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra [ 8]_{. El}

Hidrógeno es el decimoquinto elemento más a bundante en la superficie terrestre [ 6]_{. La mayor parte del Hidrógeno terrestre se encuentra}

formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o agua [ 7]_{. El Hidrógeno gaseoso puede ser producido por algunas bacterias}

y algas, y es un componente natural de l metano que es una fuente de enorme importancia para la obtención del Hidrógeno [ 9].

1.5 Factibilidad propiedades y usos del Hidrógeno

(36)

energía a utilizar y, como consecuencia, los dispositivos tecnológicos han sido concebidos para usar la energía en la presentación de más fácil acceso. En la época actual, la combustión y la electricidad son los métodos principales para obtener energía de uso co tidiano.

La energía siempre ha sido un bien de consumo generalizado e inten sivo, entre la mitad y una tercera parte de la energía producida anualmen te en un país industrializado, es usada para energizar los inmuebles, y otra tercera parte es usada para mo ver a la gente y los bienes comerciales [ 1]. Como la energía es relativamente fácil de producir, las tecnologías usadas frecuentemente no son avanzadas y tienen baja eficiencia [ 8].

El consumo de energía se ha incrementado junto con las necesidades de transporte debido a la conformación de nuevas regiones comerciales. Pero los métodos usados para proporcionar energía generan importantes riesgos para la comunidad en donde se produce y gradualmente repercuten en un decremento del bienestar general.

(37)

1.5.1 Propiedades del Hidrógeno

El Hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594 g/mol. El gas tiene una densidad de 8.99 x 10-2 kg/m3 a 0 ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El Hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen. Este elemento es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales lo absorben [ 1].

La adsorción del Hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos [ 5]_{. A temperaturas}

ordinarias el Hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemp lo, por un catalizador adecuado y a temperaturas elevadas es muy reactivo [ 11]_.

1.5.2 Principales compuestos del Hidrógeno

El Hidrógeno es constituyente de un número muy grande d e compuestos que contienen uno o más de otros elementos. Esos compuestos incluyen el agua, los ácidos, las bases, la mayor parte de los compuestos orgánicos y muchos minerales. Los compuestos en los cuales el Hidrógeno se combina sólo con otro elemento se denominan generalmente Hidruros [ 10].

1.5.3 Preparación del Hidrógeno

(38)

Hidrógeno deseada, la pureza requerida, la dispon ibilidad y costo de la materia prima [ 4].

Entre los procesos que más se emplean están las reacciones de metales con agua o con ácidos, la electrólisis del agua, la reacción de vapor con hidrocarburos u otros materiales orgánicos, y la descomposición térmi ca de hidrocarburos [ 1 2].

1.5.4 Usos no energéticos

Desde el inicio de la era industrial, el Hidrógeno ha sido un importante insumo: como materia prima en la producción de fertilizantes, tintes y plásticos; como material de ignición en soldadura, e inclu so para obtener combustibles líquidos sintéticos del carbón [ 4]_.

(39)

1.5.5 Usos energéticos

La principal modalidad técnica viable con tecnología existente, para el desarrollo de una economía sustentada en el Hidrógeno como energético, es la celda de combustible, un dispositivo que convierte directamente energía química en eléctrica mediante la combinación del Hidrógeno con oxígeno del aire, dejando como subproductos agua y calor. Su más importante diferencia con las batería s convencionales, es que éstas agotan los reactivos electroquímicos al generar la corriente mientras que las pilas de combustible producen la electricidad utilizando la reacción entre el Hidrógeno que se renueva continuamente y el oxígeno del aire, para producir agua liberando electrones. Grandes cantidades de Hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear [ 4]_.

Las aplicaciones energéticas de las celdas de co mbustible son de tres tipos:

En plantas de generación fija o estacionaria, en plantas portátiles y en automóviles [ 4].

1.6 Perspectiva del Hidrógeno

(40)

El conjunto de tecnologías especialmente desarrolladas en el siglo XX, ha elevado el nivel de consumo de energía por persona en la mayoría de los países, esto es sinónimo de bienestar. Esta mayor cantidad de energía permite incrementar la producción de alimentos, considerando que el riego y los fertilizantes son en buena medida el resultado del dominio energético, hechos que han posibilitado el incremento de la población global [ 5].

Todo esto que parece ser orientado hacia u n destino continuo y mejor, colapsa y resulta para todos los individuos inconveni ente por las siguientes razones [ 6]:

a) Impacto ambiental local y global negativo: Emisiones de gases de efecto invernadero.

b) Condicionamiento y sometimiento social: Los combustibles fósiles constituyen sistemas concentrados de energía y permite el abuso de unos pocos sobre la mayoría.

c) Seguridad en el abastecimiento: Al ser pocas y concentradas las fuentes fósiles energéticas por causas naturales o del hombre, la provisión en todo lugar y momento está condicionada.

d) Costos: Este es un problema mayor, ya que conforme la demanda de combustibles fósiles crezca, mayores serán los costos de estos lo cual propiciara en un momento dado que solo unos pocos puedan obtenerlos.

(41)

El ingenio humano, impulsado muchas veces por la necesidad de encontrar alternativas, adquirirá en las fuentes renovables directas o derivadas del sol, como el viento, la hidráulica, la geotermia y la biomasa el recurso energético primario que le permita mantener el consumo por persona de energía, e incluir al tercio de la población mundial que no cuentan con fuentes de energía o carecen de servicios energéticos [ 1].

Las características propias de las fuentes renovables, que se encuentran distribuidas por todo el planeta con mayor o menor abundancia, según las regiones, deben superar la condición de oferta no continua (el sol sale de día, el viento está disponible solo cuando sopla), mediante un elemento que permita su acumulación, esta condición no puede ser cumplida por la electricidad en cantidades mayores de energía.

Así, aparece el Hidrógeno, elemento en estado gaseoso en condiciones ambientales normales, pero que es factible de almacenamiento, transporte y distribución, lo que permite su aplicación a cualquier segmento de la demanda, posee otras dos grandes fortalezas [ 4]_:

1.-Sinergia con la electricidad, disponiendo de Hidrógeno se puede generar electricidad en forma directa, vía celdas de combustible [ 8]_.

(42)

-Sección de Estudios de Posgrado e Investigación Unidad Zacatenco

Hidrógeno, donde cada consumidor de electricidad es también un potencial productor de esta [ 9].

1.7 Seguridad en el uso del Hidrógeno

Como la gasolina y el gas natural, el Hidrógeno es un combustible que debe ser manejado cuidadosa y apropiadamente. Las características que presenta éste gas son diferentes (justamente como la gasolina difiere del gas natural) y un número de sus propiedades son ventajosas y se consideran seguras. El Hidrógeno puede ser usado con seguridad como otros combustibles que están en uso en estos días, cuando todas las pautas de seguridad sean observadas y se comprenda su comportamiento por todos los usuarios [ 1]_.

1.8 Características del gas

El elemento más pequeño y más ligero del universo está confinado al Hidrógeno, es mucho más liviano que el aire y se expande a una velocidad de 20 m/s, dos veces más rápido que el helio y seis veces más rápido que el gas natural, lo que significa que cuando es liberado, éste se dispersa muy rápidamente [ 9].

La combustión no puede ocurrir en un tanque o en alguna estación contenedora que mantenga al Hidrógeno, para que la combustión tenga efecto, un oxidante como el oxígeno debe estar presente.

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carece de olor, color y sabor, pero tratado industrialmente se le adiciona un olor sulfuroso para que así pueda ser detectado por el olfato. Este mismo método de olor no puede ser usado con el Hidrógeno, porque hasta ahora no es conocido algún olor que pueda viajar y mezclarse con éste elemento, y a la misma vez tenga la misma proporción de dispersión (velocidad de dispersión) [ 16]. El aplicar algún tipo de olor al Hidrógeno agrega impurezas y hace que contamine la célula de combustible que es una de las metas de producción del Hidrógeno (abastecimiento) [ 1 6].

La quema del Hidrógeno es a muy alta velocidad, bajo una óptima combustión, la energía requerida para iniciar la combusti ón es significativamente más baja, respecto a la que se requiere para otros tipos de combustible, como el gas natural o la gasolina. En una baja concentración de combustible de Hidrógeno en el aire, la energía requerida para iniciar la combustión es simila r a la de otros combustibles

[ 6]_.

Las flamas del Hidrógeno tienen una proporción baja de radiación de calor. El fuego producido por éste gas es significativamente bajo en radiación de calor cuando es comparado con el fuego de hidrocarburos (gasolina, gas natural). La flama en sí misma es solamente calor por lo cual el riesgo de fuegos secundarios es bajo [ 8]_.

(44)

ventilación [ 5]_{. Éste elemento no es tóxico ni venenoso, por lo cual no}

puede contaminar los yacimientos de agua, es un gas que se da bajo condiciones atmosféricas normales [ 7].

Actualmente, en el mundo se manejan mi llones de toneladas métricas con estándares de seguridad elevados, lo cual demuestra que el manejo de este gas, siguiendo las normas de seguridad, hace factible la manipulación para posteriores aplicacione s [ 1].

1.8.1 Almacenamiento del Hidrógeno

Se han investigado diferentes formas de almacenar el Hidrógeno en cantidades importantes, las opciones que se han aplicado mayormente hasta el momento, son el uso del Hidrógeno fase líquida y el Hidrógeno fase gas, contenidos en cilindros a altas presiones. Aunque sigue habiendo avances en el diseño de los recipientes, en los procesos de almacenamiento y en los materiales empleados [ 2], ambas opciones tienen inconvenientes en relación con los costos de operación, las pérdidas de Hidrógeno por evaporación, los riesgos de seguridad concernie ntes al uso de altas presiones, temperaturas criogénicas y el tamaño de los contenedores [ 1].

(45)

La base de algunas de las técnicas de almacenaje eficiente , son a partir de lazos como se ilustra en la Figura 1.1 [ 7], en los cuales se produce un enlace de Hidrógeno (incorrectamente llamado enlace por puente de Hidrógeno) cuando un átomo de Hidrógeno se encuentra entre dos átomos más electronegativos, estableciendo un vínculo entre ellos. El átomo de Hidrógeno tiene una carga parcial positiva, por lo que atrae a la densidad electrónica de un átomo cercano en el espacio [ 5].

El enlace de Hidrógeno es poco energético frente al enlace covalente corriente, pero su consideración es fundamental para la expli cación de procesos como la solvatación o el plegamiento de proteínas.

Diferentes elementos funcionan eficientemente para formar enlaces de Hidrógeno. Los dadores clásicos son [ 5 ]_:

 El grupo hidroxilo (OH)

 El grupo amino (NH)

 El fluoruro de Hidrógeno (HF)

Mientras que existen dadores no clásicos, como por ejemplo:

 Un hidrocarburo sustituido (CH) (en el caso de los hidrocarburos no

se forman puentes de Hidrógeno por la baja electronegatividad del carbono. Sin embargo, cuando el carbono tiene sustituyentes atractores de electrones se pueden dar interacciones débiles, como en el caso del cloroformo).

(46)

Diferentes dadores de electrones para formar enlaces por puente de Hidrógeno son:

 Pares electrónicos solitarios de oxígeno, azufre, nitrógeno, etc...

1.8.2 Compuestos de Hidrógeno

Si bien, al Hidrógeno suele catalogársele como no metal, a bajas temperaturas y altas presiones, puede comportarse como metal. La primera vez que se obtuvo Hidrógeno metálico fue en 1973 a una presión de 2,8 Mbar y a 20 K [ 11]_.

En este caso, el elemento no puede aislarse, siempre se encuentra formando compuestos. El compuesto más sencillo es el Hidrógeno diatómico. Para conocer la aplicación de algún compuesto , se dividen en compuestos covalentes y orgánicos.

A pesar de que el H2 no es muy reactivo, en condiciones normales, forma

multitud de compuestos con la mayoría de los elementos químicos. Se conocen millones de hidrocarburos, pero no se generan por la reacción directa del Hidrógeno elemental con el carbono (aunque la producción del gas de síntesis seguida del proceso Fischer - Tropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser una excepción pues comienza con carbón e Hidrógeno elemental generado in situ) [ 12].

(47)

flúor, al oxígeno o al Nitrógeno, el Hidrógeno puede participar en una modalidad de enlace no covalente llamado " enlace de Hidrógeno" o "puente de Hidrógeno", que es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas [ 11].

El Hidrógeno puede también formar compuestos con elementos menos electronegativos, tales como metales o semimetales, en los cuale s adquiere carga parcial negativa. Estos compuestos se conocen como Hidruros [ 13].

El Hidrógeno forma una enorme variedad de compuestos con el carbon . Debido a su asociación con los seres vivos, estos compuestos se denominan compuestos orgánicos [ 5]; el estudio de sus propiedades es la finalidad de la Química Orgánica, y el estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como Bioquímica. Atendiendo a algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" sólo requieren la presencia de carbono para ser denominados así. Sin embargo, la mayoría de estos compuestos también contienen Hidrógeno y puesto que es el enlace carbono - Hidrógeno el que proporciona a estos compuestos muchas de sus principales características, se hace necesario mencionar el enlace carbono - Hidrógeno en algunas definiciones de la palabra "orgánica" en Química [ 14]_.

(48)

Algunos ejemplos de compuestos covalentes u orgánicos importantes con Hidrógeno son: Amoniaco (NH3), Hidracina (N2H4), agua (H2O), peróxido

de Hidrógeno (H2O2), sulfuro de Hidrógeno (H2S) [ 13].

1.9 Hidruros

A menudo, los compuestos del Hidrógeno se denominan Hidruros, un término usado con bastante inexactitud. Para los quím icos, el término "Hidruro" generalmente implica que el átomo de Hidrógeno ha adquirido carga parcial negativa o carácter aniónico (denotado como H-_{). La}

existencia del anión Hidruro, propuesta en 1916, para los Hidruros iónicos del grupo I y II, fue demostrada en 1920 con la electrolisis del Hidruro de litio (LiH) fundido, que producía una cantidad estequiométrica de Hidrógeno en el ánodo [ 14]_{. Para los Hidruros de metales de otros grupos,}

el término es bastante erróneo, considerando la baja electronegatividad del Hidrógeno [ 13]. Una excepción en los Hidruros del grupo II es el BeH2,

que es polimérico. En el Tetrahidruroaluminato (III) de Litio, el anión AlH4

(49)

Tabla 1.1 Propiedades generales del Hidrógeno [ 1 3 ]_.

HIDRÓGENO

Información general

Nombre, símbolo, número Hidrógeno, H, 1

Serie química No metales

Grupo, período, bloque 1, 1, s

Densidad 0,0853 kg/m3

Apariencia Incoloro

Propiedades atómicas

Densidad u

Radio medio 25 pm

Radio atómico (calc) 53 pm (Radio de

Bohr)

Radio covalente 37 pm

Radio de van der Waals 120 pm

Configuración electrónica 1s1 Electrones por nivel de energía 1

Estado(s) de oxidación 1, -1

Óxido Anfótero

Estructura cristalina hexagonal

Propiedades físicas

Estado ordinario Gas

Punto de fusión 14,025 K

Punto de ebullición 20,268 K

Punto de inflamabilidad 255 K

(50)

Entalpía de fusión 0,05868 kJ/mol

Presión de vapor 209 Pa a 23 K

Temperatura crítica 23,97 K

Presión crítica 1,293· 106_Pa

Volumen molar 22,42×10- 3_m3_/mol

Velocidad del sonido 1270 m/s a 20 °C

Varios

Electronegatividad (Pauling) 2,2

Calor específico 1,4304· 104 J/(kg· K)

Conductividad eléctrica - S/m

Conductividad térmica 0,1815 W/(m· K) 1.ª Energía de ionización 1312 kJ/mol

Isótopos más estables

iso AN Periodo MD Ed PD

MeV

1_H _{99,985 %}_{estable con 0}

neutrones

2_{H 0,015 % estable con 1 neutrón}

3_{H sintético 12,33}

años

β 0,01 3_He

1.10 Magnesio

(51)

desde hace mucho tiempo, como el metal estructural más ligero en la industria, debido a su bajo peso y capacidad para formar aleaciones mecánicamente resistentes [ 14].

Figura 1.2 características del Magnesio

Tiene una densidad del 66 % en relación a la del aluminio y mantiene innumerables aplicaciones en casos en donde el ahorro de peso es de importancia, posee muchas propiedades químicas y metalúrgicas deseables que lo hacen apropiado en una gran variedad de aplicaciones no estructurales [ 1 5 ]_.

Es cuantioso en la naturaleza, principalmente se halla en cantidades importantes en minerales rocosos, como la dolom ita, magnesita, olivina y serpentina. Además se encuentra en el agua de mar, salmueras subterráneas y lechos salinos y es el tercer metal estructural más abundante en la corteza terrestre, superado solamente por el aluminio y el hierro [ 15].

(52)

mayor parte de los no metales y prácticamente con todos los ácidos [ 6]_{. El}

Magnesio reacciona sólo ligeramente o nada con la mayor parte de los álcalis y muchas sustancias orgánicas, como hidrocarburos, aldehídos, alcoholes, fenoles, aminas, ésteres y la mayor parte de los aceites [ 5].

Utilizado como catalizador, el Magnesio sirve para promover reacciones orgánicas de condensación, reducción, adición y deshalogenación , se ha usado largo tiempo en la síntesis de compuestos orgán icos especiales y complejos, los principales ingredientes de aleaciones son: aluminio , manganeso, zirconio, zinc, metales de tierras raras y torio [ 9].

1.10.1 Efectos del Magnesio sobre la salud

Los efectos de la exposición al Magnesio en polvo, se consideran de baja toxicidad y no peligrosos para la salud, la inhalación del polvo de Magnesio puede irritar las membranas mucosas o el tracto respiratorio superior, en los ojos las partículas pueden incrustarse y causar irritación y desgarre, la visión directa del polvo de Magnesio ardiendo sin gafas especiales, puede resultar en ceguera temporal, debido a la intensa llama blanca, para la piel, la incrustación de partículas en la piel genera irritación y si se mezcla con agua genera quemaduras, finalmente la ingestión, que es poco común, en grandes cantidades de polvo puede causar daños al tracto intestinal [ 8].

(53)

y dolores musculares, estos se presentan normalmente de 4 a 12 horas después de la exposición y duran hasta 48 horas. Los vapores de óxid o de Magnesio son un subproducto de la combustión del Magnesio [ 8].

1.10.2 Peligros en el uso de Magnesio

Físicos: Posible explosión del polvo o de los gránulos al mezclarse con el oxígeno del aire o del agua. En seco se puede cargar electrostáticamente al ser removido, transportado, vertido, etc…

Químicos: La sustancia, puede incendiarse espontáneamente al contacto con el aire, produciendo gases irritantes o tóxicos. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes y con muchas sustancias provocando riesgo de incendio y de explosión, con ácidos y agua promueve gas de Hidrógeno inflamable, induciendo riesgo de incendio y generación de explosión.

Primeros auxilios: Inhalación; Salir al aire fresco. Ojos; Enjuagar los ojos abundantemente con agua. Piel; Lavar con jabón y agua abundantemente para eliminar las partículas. Ingestión; Si se ingieren grandes cantidades de polvo de Magnesio, provocar el vómito [ 8].

1.10.3 Efectos ambientales del Magnesio

(54)

insignificante. Los factores tomados en cuenta para la obtención de este ranking, incluyen el grado de perniciosidad del material y/o su carencia de toxicidad, la medida de su capacidad de permanecer activo en el medioambiente y si se acumula o no en los organismos vivos [ 9].

No se tiene en cuenta el grado de exposición a la sustancia , aunque se afirma que es un elemento detonante, e l polvo de Magnesio no es sospechoso de ser altamente dañino para el medioambiente y e n forma de óxido de Magnesio se ha establecido una toxicidad en el agua en 1000 ppm [ 8].

Tabla 1.2 Propiedades general es del Magnesio [ 1 3 ]_.

Nombre Magnesio

Número atómico 12

Valencia 2

Estado de oxidación +2

Electronegatividad 1,2

Radio covalente (Å) 1,30

Radio iónico (Å) 0,65

Radio atómico (Å) 1,60

Configuración electrónica [Ne]3s2

Primer potencial de ionización (eV) 7,65

Masa atómica (g/mol) 24,305

Densidad (g/ml) 1,74

Punto de ebullición (ºC) 1107

Punto de fusión (ºC) 650

(55)

El Magnesio está presente en el agua de mar, en concentraciones por el rango de 1300 ppm. Después del sodio, el Magnesio es el catión que se encuentra en mayores proporcione s en el océano. Los ríos contienen aproximadamente 4 ppm de Magnesio, las algas marinas contienen 6.000 -20.000 ppm, y las ostras alrededor de 1.200 ppm [ 8].

Por ejemplo, el agua potable del norte de Europa contiene entre 1 y 5 mg de Magnesio por litro. El Magnesio y otros metales alcalinotérreos son responsables de la dureza del agua. El agua que contiene grandes cantidades de iones alcalinotérreos se denomina agua dura, y el agua que contiene bajas concentraciones de estos iones se conoce como agua blanda [ 13].

1.10.4 Reacciones del Magnesio con el agua

Los metales de Magnesio, no se ven perturbados por el agua a temperatura ambiente; el Magnesio, generalmente, es un elemento poco reactivo, pero su reactividad aumenta con niveles importantes de oxigeno formando óxidos, además, el Magnesio reacciona con el vapor de agua para dar lugar a hidróxido de Magnesio y gas Hidrógeno [ 15]:

Mg (s) + 2H2O(g) -> Mg(OH)2(aq) + H2(g) (1.1)

Los fuegos provocados por el Magnesio, no se extinguen con agua, el Magnesio continúa quemándose hasta que el oxígeno se agota y entonces reacciona con el nitrógeno del aire para formar nitruro de Magnesio (Mg3N2), de manera que cuando se intentan extinguir los fuegos de

(56)

provocando la ruptura de la molécula de agua y produciendo una reacción explosiva, liberando gran cantidad de energía [ 15].

1.10.5 Solubilidad

El Magnesio se presenta principalmente como Mg2+ (aq) en soluciones acuosas, pero también como MgOH+ (aq) y Mg (OH)2 (aq). En el agua de

mar también puede presentarse como MgSO4. La solubilidad del hidróxido

de Magnesio en agua es de 12 mg/L. Otros derivados del Magnesio son más solubles en agua, por ejemplo el carbonato de Magnesio (600 mg/L). El sulfato de Magnesio añade al agua un sabor agrio, y tiene una solubilidad en agua de 309 g/L a 10o_C[ 15]_.

1.10.6 Presencia en el agua y usos frecuentes

Un gran número de minerales contienen Magnesio, por ejemplo, la dolomita (carbonato de calcio y Magnesio, CaMg (CO3)2) y la magnesita

(carbonato de Magnesio MgCO3). El Magnesio se desprende de las rocas

(57)

Durante la II Guerra Mundial el Magnesio se empleó como material para la construcción de bombas, y causó un gran número de incendios en las ciudades. El desarrollo de estas bombas introdujo un método para extraer Magnesio del agua de mar [ 15].

1.11 Almacenamiento de Hidrógeno para uso en celdas de

combustible

Almacenar una gran cantidad de Hidrógeno de una manera segura, barata y a su vez posibilitar su utilización (por medio de células de combustible o por combustión directa) en aplicaciones de transporte, es uno de los retos presentes más importantes con los que se enfrenta la tecnología del Hidrógeno [ 16]. En el presente, el Hidrógeno se almacena y transporta en contenedores a presión. Esta manera de almacenamiento, no es óptima si va a usarse para propulsar un vehículo, ya que al elevado volumen que se ocupa de esta forma, entrega una eficiencia baja de almacenaje [ 16]. Una opción importante radica en almacenar el gas en el interior de un compuesto sólido. Básicamente, se trata de implantarlo en el interior de un material sólido a una temperatura y presión determinadas para luego, cuando sea necesario, extraerlo con otros valores de presión y temperaturas. Esta forma de almacenamiento permite acumular una mayor cantidad de Hidrógeno en volúmenes de menores dimensiones , que los del almacenamiento convencional.