CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS

AREA SUPERFICIAL, VOLUMEN DE PORO, RADIO DE PORO Y TAMAÑO DE PARTÍCULA

El análisis por adsorción – desorción de nitrógeno realizado en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería nos reporta las siguientes características que se muestra en la tabla 3.5:

TABLA 3.5: ÁREA SUPERFICIAL DE LA ARCILLA NATURAL DE CHONGOS – CHUPACA

Reporte Área Superficial BET

Área Superficial BET: 43,5740 ± 0,3278 m²/g FUENTE: Facultad de Ciencias, UNI, Lima – Perú La ecuación BET:

𝑃

𝑄(𝑃₀− 𝑃)= 1

𝑄𝑚𝐶+𝐶 − 1 𝑄𝑚𝐶 ∗ 𝑃

𝑃₀

Permite la representación P/Va(P0-P) respecto a P/P0 (Figura 3.3), siendo Q el volumen de gas adsorbido y Qm la capacidad de monocapa expresada en términos de volumen (cm³), que debería asemejarse a una recta y= a + bx dentro del rango de presión relativa comprendido entre P/P0 = 0,05 – 0,3. El valor de “a”

debe ser positivo y tendría un valor ¹

𝑄𝑚𝐶 , mientras el valor de “b” estaría representado por ^𝐶−1

𝑄𝑚𝐶 .

FIGURA 3.4: Isoterma BET linealizada FUENTE: Reporte de Análisis Adsorción de N2

La ecuación obtenida de la gráfica (Figura 3.4) permite hallar el valor de C y Qm

C: 758.378455

Qm: 10.0097 cm³/g STP

La superficie específica de la muestra se determina a partir del área ocupada por una única molécula de adsorbato, suponiendo un empaquetado compacto en la superficie, mediante la fórmula:

𝑎_𝑠 = 𝑄_𝑚∗ 𝑎_𝑚∗ 𝐿 Donde:

as es el área superficial específica (m²/g)

Qm es la capacidad específica de monocapa de adsorbato: cantidad de adsorbato necesaria para cubrir la superficie con una monocapa completa de moléculas (mol/g)

am es el área transversal molecular ocupada por una molécula adsorbida en una monocapa completa (nm²)

L Es la constante de Avogadro = 6,022·1023 mol^-1

El área transversal que comúnmente se le asigna a el nitrógeno es am = 0.162 nm².

y = 0.1005x + 0.000132 R² = 0.9994

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

P/[Q(Po-P)]

P/Po

Linealización de Isoterma BET

Reemplazando estos datos en la ecuación y modificando sus unidades a las requeridas por as, obtenemos:

as = 43,5740 m²/g

En el artículo “Modificación Química de Arcillas y su Aplicación en la Retención de Colorantes” (Tuesta et al., 2005) hallan un valor de 66 m²/g de área superficial para la arcilla natural del tipo esmectita llamada montmorillonita (arcilla que no difiere considerablemente en composición con la arcilla de esta investigación), valor que no dista en gran medida del obtenido en el análisis que en nuestro caso es de 43,5740 m²/g como se detalla en la tabla 3.5.

La disminución en esta área se atribuye a la presencia de otros componentes minerales que son distintos a los que fueron hallados en el artículo en mención, como la Vermiculita, que posee partículas de mayor tamaño que la Montmorillonita, reduciendo así su área superficial. Las presiones relativas a las que se trabaja van desde 0,01 a 0,99 en el equilibrio. El modelo de Brunauer- Emmett-Teller que describe mejor la adsorción (en sólidos porosos), funciona bien hasta un valor máximo de 0,3 de presión relativa.

TABLA 3.6: VOLUMEN DE PORO Volumen de Poros BJH Adsorción acumulativa

Entre 0,8500 nm and 150,0000 nm de radio 0,146795 cm³/g Volumen de Poros BJH Desorción acumulativa

Entre 0,8500 nm and 150,0000 nm de radio 0,148450 cm³/g FUENTE: Facultad de Ciencias, UNI, Lima – Perú

El volumen de los poros viene a ser la medida de la cantidad de adsorbato retenido en el objeto de análisis a una presión determinada. Esta es una medición directa y no necesita de modelos matemáticos complejos pues se expresa en volumen que ocupan los poros en una unidad másica de sólido (cm³/g).

La cantidad de gas adsorbido tras obtener el equilibrio después de haber introducido una nueva dosis en el tubo portamuestras por unidad de masa, para cualquier dosis se calcula mediante la siguiente ecuación:

𝑉_{𝑔𝑎𝑠 𝐼} = 𝑁_{𝑔𝑎𝑠 𝐼−1} + 𝑉_𝐿𝑂𝑊∗𝑃_{𝑠𝑦𝑠1𝐼}

𝑃_{𝑠𝑦𝑠1𝐼}−𝑃_{𝑠𝑦𝑠2𝐼} 𝑃_{𝑠𝑦𝑠2𝐼}∗𝑇_𝑆𝑇𝐷

𝑃_𝑆𝑇𝐷

𝑁_{𝑎𝑑𝑠 𝐼} = 𝑁_{𝑔𝑎𝑠 𝐼} −𝑃_{𝑠𝑎𝑚𝐼} 𝑃𝑆𝑇𝐷

∗ 𝑉_𝐹𝐶 + 𝑃_{𝑠𝑎𝑚 𝐼} ∗ 𝑉_𝐴𝐵𝑇 ∗ 𝐶

𝑉_𝐼=𝑁_{𝑎𝑑𝑠𝐼} 𝑊𝑠𝑎𝑚

Donde:

C : Factor de corrección de no idealidad, introducido por el usuario.

Ngas 1 : Cantidad total de gas introducida en el tubo portamuestras durante la dosis I (cm³ en condiciones estándar (STP)).

Nads 1 : Cantidad de gas adsorbida tras alcanzar el equilibrio después de introducir la dosis I (cm³ en condiciones estándar (STP)).

PSTD : Presión estándar (760 mm Hg)

Psys1I : Presión del sistema antes de la introducción de la dosis I en el tubo portamuestras (mm Hg)

Psys2I : Presión del sistema después de la introducción de la dosis I en el tubo portamuestras (mm Hg)

PsamI : Presión en el tubo portamuestras después de alcanzar el equilibrio tras la introducción de la dosis I en el tubo portamuestras (mm Hg)

Tsys1I : Temperatura del sistema antes de la introducción de la dosis I en el tubo portamuestras (K)

Tsys2I : Temperatura del sistema después de la introducción de la dosis I en el tubo portamuestras (K)

Wsam : Peso de la muestra (g)

VI : Cantidad de gas adsorbido por gramo de muestra (cm³/g STP) La fórmula final empleada es simple, al igual que las que la anteceden, sin embargo requieren de datos que solo son proporcionados por el equipo y sus operadores. Afortunadamente no es la única manera de determinar la cantidad adsorbida en el proceso, sino que se puede obtener indirectamente por el método de Barret-Joyner-Halenda (BJH) como se explicará en la determinación del Radio promedio de Poro y Tamaño de partícula.

En la tabla 3.6 se expresa el Volumen de poros BJH Adsorción acumulativa siendo 0,1468 cm³/g, también el volumen de poros BJH Desorción acumulativa 0,1484 cm³/g, presentado valores parecidos. Se sabe que la adsorción y la desorción son procesos inversos, que se llevan a cabo para constatar la validez del resultado obtenido a modo de réplica.

TABLA 3.7: RADIO PROMEDIO DE PORO Y TAMAÑO DE PARTÍCULA Tamaño de Poro

Radio promedio de poro BJH Adsorción (2V/A): 7,8179 nm Radio promedio de poro BJH Desorción (2V/A): 2,7426 nm

Tamaño de Partículas

Tamaño Promedio de Partícula 137,6967 nm FUENTE: Facultad de Ciencias, UNI, Lima – Perú

De acuerdo al método Barret-Joyner-Halenda (BJH) usado en la determinación de tamaño de poro, de acuerdo a los valores obtenidos en la tabla 3.6 se concluye que hay dos tamaños resaltantes para cada proceso de adsorción y desorción, entrando este a dos categorías, ya que el valor de 7,8179 nm para la adsorción lo clasifica en mesoporo y dado el valor en la desorción de 2,7426 nm también ingresa a los microporos (Green y Perry, 2008), dando a la superficie una textura llamada micromesoporosa.

La ecuación previa a la determinación de los microporos sirve para hallar el espesor de la capa de N2 que se va formando en la arcilla:

𝑇_𝑊1= 𝐻𝑃₁[𝐻𝑃₂ ln 𝑃_𝑟1]^𝐻𝑃3 Dónde:

TW1 : Espesor de la capa de N2

HP, HP2 Y HP3: Son parámetros 1, 2 y 3 de Halsey respectivamente

El espesor es usado en un ciclo matemático iterativo, cuyos datos son procesados por el programa Excel y que determina el radio promedio del poro siguiendo la técnica de análisis de Barret, Joyner y Halenda.

FIGURA 3.5: ISOTERMA DE ANÁLISIS DE ADSORCIÓN DE N2

FUENTE: Reporte de Análisis

De la Figura 3.5 decimos que pesar de la dualidad en la caracterización de la textura superficial, al observar una ojiva de gran abertura en la isoterma podemos inferir que la tendencia predominante de la arcilla es a actuar mesoporosamente, ya que una curva pronunciada a altas presiones es señal de ello (Álvarez y Veli, 2014).

0 20 40 60 80 100 120

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Q cm3STP/gDE MUESTRA

PRESIONES RELATIVAS P/P0

La zona inicial de la isoterma se debe a la aparición de la monocapa (zona microporosa) y la que sigue a la adsorción en multicapa (zona mesoporosa) (Lazo, et al., 2007).

Por otra parte, la isoterma de la Figura 3.5 se clasifica como la del tipo IV. La isoterma de tipo IV es característica de sólidos mesoporos donde se produce adsorción en multicapas, que se refleja en una zona central de la isoterma ascendente a medida que se absorben más capas sobre la superficie del sólido (De Santiago, 2012). Otra propiedad de las isotermas de tipo IV es la posibilidad de desarrollar ciclos de histéresis, es decir, las curvas de adsorción y desorción no coinciden tal y como se aprecia en el Figura 3.5. El ciclo de histéresis es debido fundamentalmente a la condensación en capilares de forma irregular.

Básicamente, durante el proceso de adsorción, el capilar se llena por completo al llegar a la presión correspondiente al tamaño del interior del poro, pero durante la desorción se vacía por completo al reducirse la presión al valor correspondiente al tamaño de la garganta. Esta diferencia entre la presión de llenado y la presión de vaciado de un poro es la que genera la histéresis. En la zona de bajas presiones relativas, la isoterma de tipo IV sigue la misma trayectoria que la de un sólido no poroso (isoterma de tipo II) hasta un cierto punto en el que la isoterma de tipo IV se desvía y comienza una subida marcada.

Al llegar a presiones cercanas a la presión de saturación, la pendiente de la isoterma disminuye hasta que se estabiliza.

DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE FABRICACIÓN DE FILTROS DETERMINACIÓN DE RESISTENCIA DE FILTROS

Para observar la resistencia de los filtros a la agitación en un medio líquido se hicieron 8 mezcla, en distintas proporciones de arcilla/aserrín mostradas en la tabla 3.8:

TABLA 3.8: RELACIONES ARCILLA/ASERRÍN N° Arcilla (g) Aserrín (g) Peso de filtro

calcinado (g)

1 20 1 10,7

2 19 2 10,8

3 18 3 9,9

4 17 4 8,4

5 16 5 7,3

6 15 6 6,8

7 14 7 5,3

8 13 8 5,0

FUENTE: Elaboración propia

La elección del tamaño de filtro se tomó teniendo en cuenta el tamaño del reactor (vaso de precipitación). Básicamente un filtro largo es proclive a quebraduras en situaciones de movimiento continuo, y un filtro con diámetro muy grande con respecto al reactor, impide una buena agitación del mismo. Por ello se tomaron en cuenta distintos moldes. El adecuado posee un volumen de aproximadamente 12 cm³, volumen que ocupan 21 gramos de mezcla arcilla/aserrín. Teniendo en cuenta este de volumen, es que se hacen todas las mezclas en base a ese valor.

FIGURA 3.5: PRUEBA DE RESISTENCIA FUENTE: Elaboración propia

La agitación duró 24 horas a 240 RPM en agitación orbital.

Otorgarle mayor porosidad a los filtros es importante, esta porosidad se obtiene mediante la mezcla de arcilla/aserrín cuyas proporciones se muestran en la tabla 3.8, pues una poca cantidad de orificios originaría un secado irregular del filtro, empezando de la superficie y continuando al interior. A esto se le llama contracción diferencial. La parte interior como esta mojada resiste la contracción exterior y la tensión resultante solo puede descargarse mediante el agrietamiento (Singer, 1976).

La contraparte a una gran porosidad es la obtención de un filtro demasiado hueco, que no resista los embates de la agitación orbital. Cuando esta se da los bordes del filtro se carcomen con el transcurso del tiempo y este sufre riesgo de deshacerse. Para disminuir este efecto sin tener que agregar más arcilla se efectúa la cocción de los filtros hasta una temperatura de 950°C, esto porque a partir de los 900 °C se forma el mineral artificial conocido como mullita. Esta se origina de la unión de óxido de aluminio y dióxido amorfo de silicio. Los dos compuestos mencionados provienen de la descomposición de metacaolinita anhidra Al2O3· 2SiO2, que se formó anteriormente (a 450 – 600 °C) a consecuencia de la deshidratación de la caolinita. La mullita le proporciona al filtro la resistencia necesaria al filtro y a los efectos mecánicos como se muestra en la figura 3.5. También le otorga resistencia a la temperatura. Al formarse la mullita, la arcilla pasa irreversiblemente al estado pétreo (Chupina 2006).

En la elección del filtro se observó que los tres primeros resistieron mejor el proceso. De los filtros seleccionados, se eligió trabajar con el N° 3 de la Tabla 3.8 (6 g de arcilla/ g de aserrín) ya que es el que usó mayor cantidad de aserrín en las mezclas que salieron bien, es decir el que posee mayor cantidad de poros.