Hinchamiento de geles en agua

Las primeras pruebas de hinchamiento se hicieron a temperatura ambiente, en agua, para tratar de familiarizarse con el comportamiento de los geles, aunque, se sabía que las condiciones para llevar a cabo la biodesulfuración debían ser a 30°C.

Las curvas de hinchamiento son un factor importante, ya que predicen el comportamiento del gel en un sistema de reacción. El hinchamiento del gel depende de la temperatura, del número de ciclos criogénicos y del sistema de reacción donde se va a incorporar el gel.

Un gel puede absorber una cantidad adicional de agua y cambiar su tamaño de poro y adicionalmente variar su rigidez o puede reducir su tamaño debido al efecto del medio por la presencia de iones o puede desintegrarse por la temperatura. La permeabilidad también está asociada de alguna manera con el hinchamiento, ya que si un material se hincha es porque es permeable al medio, en primera instancia.

a

El término de hinchamiento adicional se le da al hecho de que un gel, compuesto inicialmente por una gran cantidad de agua y una pequeña porción de polímero (grado de hinchamiento específico), puede aceptar todavía una cantidad adicional de agua.28

En este caso, el sistema de reacción se había definido como acuoso y se operaría a 3 0°C.

Con base a lo anterior las pruebas de hinchamiento se realizaron en agua a 30°C con una agitación de 180 rpm (Sección 3.1.5). El hinchamiento se realizó sobre tres polímeros de diferente peso molecular, con diferentes concentraciones y diferente número de ciclos, tal como se señaló en la Tabla 4.1.4. Las pruebas de hinchamiento se realizaron inmediatamente después de preparar los geles, por un periodo de nueve días.

La primera prueba de hinchamiento fue a temperatura ambiente (22°C) y 180 rpm sobre geles de PVA de 51000 al 10.7 % en peso. La Figura 4.1.5, muestra estos resultados. En la gráfica se observa que los geles de un ciclo son los que presentaron mayor hinchamiento, alcanzando un valor de 18% en peso. Los geles de dos y tres ciclos presentaron un hinchamiento ligero alrededor del 5 a 6 %, y de cuatro a cinco ciclos el hinchamiento fue mínimo mostrando al final de la prueba una pérdida de alrededor del 2% en peso. Por otra parte se hizo la misma prueba pero ahora a 30°Cy 180 rpm con los mismo geles recién preparados. La Figura 4.1.6, muestra los resultados.

25 w 20 w 15

Ji:

o -5

-•--- 1 ciclo

—a-- 2 ciclos -- 3 ciclos --.- 4 ciclos

—*-- 5 ciclos

0 2 4 6 8 10

Tiempo (dias)

Figura 4.1.5. Hinchamiento de geles de PVA 51000 y 10.7% en peso, a 22°C.

62

25

-10

2 4 6 8 10

Tiempo (días) -15

0

-•---- 1 ciclo

—u--- 2 ciclos

—*--- 3 ciclos

—E--- 4 ciclos

—e-- 5 ciclos

Figura 4.1.6. Hinchamiento de geles de PVA de 51000 y 10.7% en peso, a 30°C.

Comparando las dos gráficas podemos visualizar algunas diferencias:

A 3 0°C, el hinchamiento de los geles de un ciclo es más rápido en los primeros días (por su pendiente de ascendencia).

Sólo los geles de un ciclo presentan un hinchamiento adicional significativo tanto a 30°C como a temperatura ambiente, alrededor del 20%.

A temperatura ambiente los geles de dos y tres ciclos también presentan un hinchamiento adicional 5 y 7% respectivamente. Mientras que a 30°C el hinchamiento es casi nulo.

Analizando las pendientes de caída, durante la prueba, se puede ver que la inestabilidad de los geles a 30°C es mayor.

Más adelante se regresará a estos resultados cuando se tengan más herramientas de discusión.

A partir de aquí se prepararon geles de otros pesos moleculares y diferentes concentraciones y se dio a la tarea de determinar sus curvas de hinchamiento. A continuación se presenta el hinchamiento a 30°C y 180 rpm de geles de PVA de 51000 a 12.5 y 14% en peso, Figuras 4.1.7 y 4.1.8, respectivamente. Como se observa, el

25

25 20 15 c Q) 10

-10

comportamiento de los geles siguió el mismo patrón. Sólo los geles de un ciclo mostraron un hinchamiento adicional significativo, los geles con dos o más ciclos presentan un hinchamiento adicional casi nulo y su inestabilidad con el tiempo no parece ser afectada por la concentración del polímero. La compactación de los geles, de dos a cinco ciclos, al final de las pruebas de hinchamiento a 30°C fue del 8% en peso. A temperatura ambiente sólo hubo compactación para geles de cuatro y cinco ciclos siendo ésta menor al 2% en peso.

0 2 4 6 8 10

Tiempo (días)

-•- 1 ciclo -.- 2 ciclos -.--- 3 ciclos

—e-- 4 ciclos

—*-- 5 ciclos

Figura 4.1.7. Hinchamiento de geles de PVA de 51000 y 12.5% en peso, a 30°C.

2 4 6 8 10

Tiempo (días)

-•-- 1 ciclo

—a-- 2 ciclos --- 3 ciclos

—e---- 4 ciclos -*-- 5 ciclos

Figura 4.1.8. Hinchamiento de geles de PVA de 51000 y 14% en peso. a 30°C.

Las curvas de hinchamiento de geles preparados con PVA de 62000 al 7, 9, 10 y 11% en peso y de PVA de 132000 al 7% en peso, presentaron de igual forma el mismo patrón de comportamiento, con la salvedad que el hinchamiento para geles de un ciclo fue de alrededor del 10 % para el PVA de 62000 y 35% en peso para el PVA de 132000 (Anexo II).

Las pruebas de hinchamiento, además de estar encaminadas a determinar el comportamiento de los geles de PVA a ciertas condiciones de operación, también fueron dirigidas a determinar con qué condiciones de preparación (peso molecular, concentración y número de ciclos) se podían obtener geles con la mayor permeabilidad posible.

De las pruebas de hinchamiento a 30°C fue imposible sacar alguna conclusión sobre las condiciones óptimas de preparación. No obstante, comparando las Figuras 4.1.5 y 4.1.6 se observaron algunas discrepancias ya que siendo los mismos geles, preparados bajo las mismas condiciones, el comportamiento en el hinchamiento a 22°C fue diferente al observado a 30°C. Específicamente en geles de dos y tres ciclos, los cuales se hinchan en mayor proporción a 22°C que a 30°C.

Estas discrepancias se pueden analizar desde el punto de vista de la permeabilidad intrínseca del gel. Por definición, la permeabilidad intrínseca49es una medida de la facilidad con la cual un fluido se mueve a través de un medio poroso, el cual es dependiente de las propiedades fisicas del medio poroso y no del fluido que se mueve a través de él.

La permeabilidad intrínseca de un material está dada por la ecuación:

K = Cd 2

(Ecuación 4.1.1)

Donde: K = es la permeabilidad intrínseca,

C = es el factor de forma, del medio poroso, d = es el tamaño de poro promedio.

Con base en esta ecuación, la permeabilidad es una función del tamaño de poro del gel y del factor de forma del medio poroso. Esto significa que, si no hubiera cambios en la estructura del material, el hinchamiento hubiera sido igual tanto a temperatura ambiente como a 30°C. Esta diferencia en comportamiento nos llevó a hacer cinéticas de hinchamiento en peso y en volumen y monitorear el PVA residual que queda en el medio acuoso durante la cinética de hinchamiento. Cualquier cambio en volumen del gel podría también afectar el tamaño de poro del gel. La morfología de los geles también fue una característica importante y se verá más adelante.