Nuevas estrategias para sintetizar y caracterizar zeolitas: monocristales milimétricos y membranas micrométricas
- Autores: Ester Mateo González
- Directores de la Tesis: Joaquín Coronas Ceresuela (dir. tes.), Andres Paniagua Condado (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2007
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Santamaría Ramiro (presid.), Blanca Bauluz Lázaro (secret.), Isabel Díaz Carretero (voc.), Ángeles Fernández González (voc.), Miguel Ángel Camblor Fernández (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La investigación motivo de este trabajo forma parte de una línea de trabajo que se viene desarrollando desde hace unos años en el Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de Zaragoza sobre la síntesis, caracterización y aplicaciones de materiales zeolíticos. Dicho trabajo se ha realizado en colaboración con el Área de Cristalografía y Mineralogía del Departamento de Ciencias de la Tierra también de la Universidad de Zaragoza, produciendo una sinergia de la que se ha enriquecido la presente tesis doctoral. Cabe decir también que en algunos capítulos se contado con la colaboración del grupo de Procesado de Materiales por Láser del Instituto de Ciencias de Materiales de Aragón (CSIC), lo que también ha sido positivo para el desarrollo de la investigación.
Las zeolitas son tectosilicatos microporosos con una densidad estructural entre 12,5 y 20,2 que pueden presentar hasta 167 topologías diferentes. Las posibilidades de diseño de las zeolitas sintéticas y su carácter de compuestos químicamente puros hacen que el uso de éstas aumente progresivamente con respecto al de las naturales para una gran variedad de aplicaciones industriales pero también a otras, ahora emergentes, como las relacionadas con la electrónica y la medicina.
En las síntesis en el laboratorio no es factible llegar a las dimensiones de cristales de zeolita encontrados en la naturaleza, ya que el tiempo de síntesis está muy limitado con respecto a las condiciones naturales. Sin embargo, al sintetizar monocristales zeolíticos de tamaños milimétricos es posible conocer de manera más precisa los procesos de cristalización. Además el control del tamaño de los cristales abre nuevas posibilidades en diferentes campos, ya que se trata de un parámetro influyente en muchas de las áreas de aplicación de las zeolitas, tales como procesos de separación y catálisis. En este trabajo se han sintetizado monocristales milimétricos de silicalita-1 y de analcima, estudiando diferentes variables que afectan a la calidad y pureza de los monocristales sintetizados. También se han examinado varias condiciones para eliminar el agente estructurante localizado en el interior de los poros de las zeolitas sin provocar el deterioro de los cristales de grandes-dimensiones.
Durante la última década del siglo XX comenzó el desarrollo de técnicas de preparación de zeolitas como membranas inorgánicas microporosas, conjugando las características de selectividad molecular de las zeolitas en polvo y las de las membranas inorgánicas. A partir de entonces, el crecimiento de la investigación en este tema ha sido exponencial. Las aplicaciones para estos materiales se encuadran principalmente en tres campos: en separación de mezclas, reactores catalíticos de membrana y microsistemas (microrreactores, sensores, etc.). Algunas de estas aplicaciones no implicarían grandes cantidades de material zeolítico, por lo que el uso de una micromembrana zeolítica estaría justificado. En este trabajo se han preparado micromembranas autosoportadas de silicalita-1, analcima y zeolitá A utilizando soportes de acero inoxidable de espesor micrométrico. Estos soportes se han microperforado por la acción de un láser Nd:YAG. Se estudiaron las variables que influyen en la morfología y estructura de las micromembranas sintetizadas y en la distribución del material zeolítico sobre el soporte. Estas micromembranas poseen una alta relación área/volumen lo que les reporta importantes ventajas desde el punto de vista de la intensificación de procesos y presentan valores altos de flujo de gas o líquido permeado y factores de separación equiparables a las membranas convencionales.
Aunque, de manera general, se han preparado por síntesis hidrotermal "ex situ" o por crecimiento secundario, se ha desarrollado también un nuevo nétodo de síntesis de micromembranas zeolíticas donde el soporte se utiliza como barrera para separar en dos disoluciones los reactantes necesarios para la formación de las zeolitas, y de esta manera poder controlar el espesor, distribución, orientación y tamaño -de los cristales sintetizados. Esta estrategia de síntesis puede ser una vía abierta para el desarrollo de otros tipos de zeolitas.
Los cristales y capas zeolíticas obtenidas se han caracterizado por difracción de rayos X (XRD), estereomicroscopía, microscopía óptica compuesta, microscopía óptica de fluorescencia confocal (FCOM), perfilometría confocal, microscopía electrónica (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM) y análisis textural (BET). Así se han obtenido datos de identificación de la zeolita obtenida, caracterización de su estructura, tamaño y morfología, cristalinidad y pureza de la zeolita, determinación de las distancias interatómicas, tamaño de poros y superficie total del material, distinción de posibles orientaciones e incluso delimitación de posibles defectos cristalinos y/o huecos intercristalinos a lo largo del eje z de las capas sintetizadas lo que también da información acerca de los mecanismos de crecimiento cristalino. Además para determinar la relación y distribución de los principales elementos constituyentes de las zeolitas sintetizadas se ha utilizado microanálisis por rayos X (EDAX) y microanálisis por sonda electrónica (EPMA). La eliminación del agente estructurante en el interior de los poros de los monocristales de silicalita-1 se ha estudiado mediante termogravimetría (TGA¬DTA). Por otra parte, por espectrometría de emisión atómica en plasma de acoplamiento inductivo (ICP) se ha analizado la composición de los geles precursores tras los procesos hidrotermales, y así se ha determinado la cantidad de nutrientes disponible para el crecimiento cristalino de las zeolitas. También se ha examinado la calidad de las micromembranas sintetizadas en términos de factor de separación de mezclas N2/C3H8y H20/Etanol.
