Resumen de Equilibrio de fases y propiedades interfaciales de sistemas moleculares de interés industrial

Esther Feria Delgado

• español

  Desde finales del siglo XX ha crecido el interés por el estudio del biodiesel como alternativa a los combustibles fósiles y como una forma de reducir la emisión de gases de efecto invernadero. Esto es debido a que el biodiesel es una energía renovable, biodegradable, no tóxica y compatible con numerosos motores que se comercializan actualmente. Además el transporte, almacenaje y manipulación del biodiesel tienen menor riesgo que en el caso del diesel. El biodiesel se compone mayoritariamente de metil ésteres (FAMEs) a diferencia del diesel derivado del petróleo, cuyos componentes principales son n-alcanos e hidrocarburos aromáticos [1]. La investigación presentada estudia, mediante la técnica de simulación molecular, sistemas basados en n-alcanos y sistemas basados en metil ésteres. Concretamente se ha empleado la técnica de simulación molecular denominada Dinámica Molecular, utilizando el programa GROMACS (versión 4.6.1) en el colectivo canónico (NVT). Por una parte se estudiaron sistemas de mezclas binarias de metano con n-alcanos (n-decano, n-dodecano, n-tetradecano and n-hexadecano) a una temperatura de 344.15K y en un rango de presión entre 0.1 y 30MPa. Por otra parte, se han estudiado el equilibrio de fases y las propiedades interfaciales de una familia de metil ésteres (metil acetato, metil propionato, metil butirato, metil valerato, metil hexanoato y metil heptanoato), tanto para las sustancias puras como para sus respectivas mezclas con agua a distintas temperaturas. Los modelos moleculares para n-alcanos se describen como átomos Coarse Grained (CG), empleando un potencial de tipo Mie. Mientras que en el caso de los metil ésteres se emplearon modelos TraPPE-UA (Transferable Potentials for Phase Equilibria-United Atoms), donde la parametrización de los distintos grupos se ha desarrollado en base a trabajos llevados a cabo para sustancias similares [2–7]. En este último caso donde se utilizan modelos cuya eficacia se había comprobado en sistemas similares, como cetonas y éteres, nunca habían sido combinados para describir el comportamiento de los metil ésteres presentados. El estudio de estos modelos mediante simulación molecular permite estudiar el equilibrio de fases y propiedades interfaciales de los distintos sistemas, y compararlos con datos experimentales existentes. En el caso de los n-alcanos se observa un descenso de la densidad de fase líquida y tensión interfacial a medida que aumenta la presión, un aumento de la densidad de fase líquida y tensión interfacial al aumentar la longitud de la cadena del n-alcano y adsorción de metano en la región interfacial que aumenta con la presión hasta alcanzar su límite de saturación. Para los sistemas puros de metil ésteres se observa una predicción correcta tanto de la coexistencia de fases como las densidades de coexistencia, presión de vapor, tensión interfacial, entropía interfacial y entalpía interfacial; comparando los datos simulados con datos experimentales existentes. En el caso de mezclas de metil ésteres con agua, se obtienen datos excelentes para las densidades de coexistencia y las fracciones molares, siendo mejores a medida que aumenta la longitud de la cadena alquílica. En los perfiles de densidad se puede observar el efecto de adsorción esperado. Sin embargo, en la tensión interfacial los valores se sobrestiman y no se observa el máximo esperado.

• English

  Since the last years in the 20th century, the interest in biodiesel has increased because of its use as a renewable fuel and as a form of decreasing greenhouse gas emissions. Biodiesel is renewable, biodegradable, non-toxic and applicable to actual diesel engines. Besides, biodiesel can be transported, kept and treated in an easier way than diesel. Biodiesel is mainly composed of methyl esters (FAMEs), on the contrary, diesel derives from petroleum which is mainly composed of n-alkanes and aromatic hydrocarbons. In this work, the molecular simulation technique is used to study systems based on n-alkanes and systems based on methyl esters. The chosen technique for the study is called Molecular Dynamics, this technique has been used in the program GROMACS (4.6.1 version) with a canonical ensemble (NVT). On one hand, binary mixtures of methane and n-alkane (n-decane, n-dodecane, n-tetradecane and n-hexadecane) were studied at 344.15K of temperature and pressures between 0.1 and 30 MPa. On the other hand, the phase equilibria and interfacial properties from a family of methyl esters (methyl acetate, methyl propionate, methyl butyrate, methyl valerate, methyl hexanoate and methyl heptanoate) were studied at different temperatures, for pure substances and binary mixtures of these methyl esters with water. The molecular models used for describing n-alkanes were Coarse-Grained models with Mie potential. Whereas the methyl esters were described as TraPPE-UA models (Transferable Potentials for Phase Equilibria-United Atoms), where the parametrizations for different groups have been developed in relation to similar substances. In the case of methyl esters, these parameters used before in similar systems, like ketones or ethers, have never been combined to predict the presented methyl esters behavior. The study of these models by molecular simulation allows to obtain the phase equilibria and interfacial properties of the systems and to compare them with experimental data. For n-alkanes, a decrease of the density in the liquid phase is observed while the pressure increases and an increment of the density in the liquid phase and interfacial tension are observed while the length of the chains increases. Another observation for n-alkanes is the existence of methane adsorption in the interfacial region, which increases with the pressure until the saturation limit is reached. For pure systems of methyl esters, an accurate prediction of the phase coexistence and properties of interest are observed, in comparison with experimental data. Between these properties of interest can be found coexistence densities, vapour pressure, interfacial tension, interfacial entropy and interfacial enthalpy. In the case of binary mixtures of water with methyl esters, data obtained for coexistence densities and molar fractions are excellent, these are better while the length of the alkyl chain is bigger. Density profiles show the expected adsorption effect. However, interfacial tension results overestimate the experimental data.