Materiales laminares y porosos para su aplicación al desarrollo sostenible

Castarlenas Sobreviela, Sonia
Coronas Ceresuela, Joaquín (dir.) ; Téllez Ariso, Carlos (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2014


Abstract: La tesis doctoral aquí presentada con el título "Materiales laminares y porosos para su aplicación al desarrollo sostenible" se ha llevado a cabo en el Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) que forma parte del Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente y del Instituto Universitario de Nanociencia de Aragón (INA) de la Universidad de Zaragoza. Dentro del CREG este trabajo se ha desarrollado en uno de los subgrupos dedicado al desarrollo y modificación de materiales nanoestructurados para su posterior aplicación en diversos usos, como entre otros la preparación de membranas híbridas, la síntesis de capas continuas, la catálisis heterogénea y la encapsulación de ciertos aditivos. A partir de los años 70, los científicos se dieron cuenta de que sus acciones tenían un impacto muy importante en la naturaleza, afectando a su biodiversidad y desarrollo. Ya en 1987 se definió por primera vez el concepto de desarrollo sostenible cuyo objetivo es llevar a cabo nuevos proyectos reconciliando los aspectos económico, social y ambiental. A partir de esta época se han buscado nuevos procesos que permitan bien mayores eficiencias o bien reducir el impacto de estos. Esta tesis pretende aplicar los materiales nanoestructurados en procesos como la separación de gases, en particular para la purificación de hidrógeno, que permitiría su posterior aplicación en células de combustible, y para la captura de CO2, lo que permitiría la reducción de las emisiones de este gas. También está relacionada con la producción de energía solar, buscando la forma de hacer que las células fotovoltaicas sean más eficientes reduciendo al mismo tiempo sus costes de producción. Industrialmente, los procesos de membrana se han llevado a cabo para la separación de mezclas gaseosas y la purificación de gases debido a que pueden conseguir elevadas eficiencias, son procesos sencillos de controlar y suponen un menor coste en comparación con otros procesos de separación (procesos como, por ejemplo, la absorción, la condensación a baja temperatura o la destilación criogénica).1 Uno de los problemas que presentan los procesos de membrana es que los parámetros con los que se caracterizan, la permeabilidad y la selectividad, tienen tendencias en sentidos inversos, y es que al incrementar la permeabilidad de los gases a través de la membrana la selectividad disminuye. Generalmente, los módulos comerciales emplean membranas poliméricas; sin embargo, presentan inconvenientes en cuanto a selectividad e incluso a permeabilidad. Se ha estudiado el uso de membranas inorgánicas, pero estas suponen costes elevados y problemas en cuanto a reproducibilidad y escalado industrial, por lo que se introdujo el concepto de membranas híbridas o membranas de matriz mixta (MMMs) que permiten mejorar el rendimiento del polímero puro preservando sus características de bajo coste, fácil procesabilidad y propiedades mecánicas. Estas son las membranas que se han desarrollado a lo largo de esta tesis. El principal problema que presentan las MMMs se centra en el contacto entre el material de relleno y el polímero, ya que en función del tipo de interfase que se genera pueden aparecer defectos microscópicos que afectan a las propiedades macroscópicas de permeabilidad y selectividad, lo que ha provocado que estas membranas no se apliquen todavía a nivel industrial. Para conseguir una interacción adecuada entre ambos materiales, esta tesis se enfoca en el estudio de los materiales de relleno y de la variación de las propiedades del polímero conforme se añade cierta proporción del material de relleno. Los materiales porosos elegidos son el titanosilicato JDF-L1, el MOF UiO-66 y los derivados de grafito como óxido de grafeno (GO) así como materiales híbridos GO_UiO-66. La otra aplicación elegida en esta tesis es la conversión de energía solar en energía eléctrica. Actualmente una parte importante del consumo de energía se basa en la energía fósil o la nuclear, pero estas implican la emisión de gases como dióxido de carbono que afectan considerablemente al medio ambiente u otros tipos de riesgos, como la radiactividad derivada de un accidente nuclear. Desde hace unos años se están estudiando otras fuentes de energía más respetuosas con el medio ambiente, y la energía solar es una de las más destacadas. Las células solares comerciales se basan en sistemas de silicio y pueden alcanzar unas eficacias del 25%.2 Sin embargo, existen distintos sistemas fotovoltaicos con sus respectivas configuraciones, entre los cuales, las células solares sensibilizadas mediante un tinte (DSSC) o células Grätzel, destacan por su sencillez y por la potencialidad que presentan.3 En esta tesis se han trabajado con materiales laminares y/o porosos. Una de las principales aplicaciones de los materiales laminares a nivel industrial es como material de carga dispersado en un polímero que mejore las propiedades finales de este último. Así, pueden dar lugar a distintos tipos de materiales compuestos en función de la forma y el tamaño del material dispersado, siendo más interesantes los denominados nanocompuestos, en los que el material dispersado tiene un tamaño nanométrico, ya que consiguen mayores efectos para cargas relativamente bajas de material (<10 % en peso). Para materiales nanocompuestos con estos porcentajes en peso se ha comprobado que se pueden mejorar las propiedades de tipo mecánico, barrera y térmicas, minimizando al mismo tiempo el efecto en la tenacidad del material, y sin que se produzca un encarecimiento sustancial del mismo. Por otro lado, los materiales poliméricos elegidos para la preparación de las membranas híbridas son comerciales: la polisulfona Udel® y la poliimida Matrimid®. De entre todos los métodos existentes para la preparación de materiales híbridos nanocompuestos, a lo largo de esta tesis se han seguido dos de ellos: extrusión en fundido y mezcla en disolución con precipitación seguida por evaporación controlada. La extrusión en fundido permitiría preparar un material compuesto material de relleno-matriz polimérica por métodos habituales en la industria, lo que permite la predicción de que este proceso podría ser aplicado a larga escala. Los materiales laminares con los que se ha trabajado son por un lado el titanosilicato laminar poroso JDF-L1 y derivados desagregados, en el que el grupo tiene una intensa experiencia ya que mediante un método químico ha exfoliado JDF-L1 para obtener el material que se ha denominado UZAR-S1, material que resulta interesante no sólo por su elevada relación de aspecto (o ¿aspect ratio¿ calculada como la longitud de las partículas entre su espesor), sino también porque tiene poros de tamaño de aproximadamente de 3 Å, lo que permite el paso de moléculas pequeñas (por ejemplo de moléculas de hidrógeno que tienen un diámetro cinético de 2,9 Å). Por otro lado se ha trabajado también con grafito y sus derivados óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido (idealmente grafeno). El grafeno es un material que ha despertado un profundo interés debido a que tiene unas propiedades electrónicas únicas derivadas de su estructura monodimensional. En la literatura, se han desarrollado distintos procesos para su síntesis, unos por vía química, como el método de Hummers consistente en la oxidación de grafito y su posterior reducción, y otros por vía física como la deposición química de vapor (CVD, del inglés ¿Chemical Vapour Deposition¿), pero estos procesos introducen defectos en la estructura y tienen rendimientos muy bajos, respectivamente. Actualmente se están desarrollando nuevos procesos consistentes en la exfoliación de grafito en medio líquido mediante la aplicación de ultrasonidos, aunque siguen obteniendo bajos rendimientos y un material todavía lejos del grafeno ideal. Es por todo esto, que se ha investigado también un nuevo método para la obtención de un material de pocas capas con propiedades atractivas. Por otro lado, se han utilizado otros materiales porosos como son los MOFs, materiales de elevada área superficial y tamaños de poro variables gracias a la variabilidad en los ligandos orgánicos utilizados en su síntesis. Debido a que su doble naturaleza, inorgánica por el metal que hace de centro de la estructura y orgánica por el ligando orgánico que se coordina, resultan interesantes en la aplicación de membranas mixtas, ya que la interacción podría ser mejor que con otros materiales inorgánicos usados como carga. De entre todos los MOFs conocidos, se ha elegido el UiO-66 cuyo centro metálico es de circonio, por ser el MOF más estable térmicamente, para su aplicación en membranas mixtas y para su combinación con el óxido de grafeno, derivado del grafito.

Pal. clave: ingeniería química ; materiales nanoestructurados ; separación de gases ; captura de co2 ; energía solar

Knowledge area: Ingeniería química

Department: Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente

Nota: Presentado: 06 06 2014
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, 2014

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 Record created 2014-11-20, last modified 2019-02-19


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