T.E.G. Angela B. Sifontes

273 Pages·2017·9.47 MB·Spanish

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
FACULTAD DE INGENIERÍA

CONTRIBUCIÓN AL ESTUDIO Y DISEÑO DE MATERIALES
ADSORBENTES A SER UTILIZADOS EN LA PURIFICACION Y
ESTERILIZACIÓN DE AGUAS PARA CONSUMO HUMANO.

Tesis Doctoral presentada por la Lic.
Angela B. Sifontes ante la ilustre
Universidad Central de Venezuela para
optar al título de Doctor en Ciencias de
la Ingeniería.
Tutor: Dr. Luis Melo Herrera

Caracas, octubre 2009

Agradecimientos

Expreso mi agradecimiento a la Facultad de Ingeniería, al Instituto Venezolano de
Investigaciones Científicas y la Universidad del Zulia, organismos que me brindaron la
oportunidad de tomar los cursos de postgrado y realizar la investigación para la tesis
doctoral, y al Fondo Nacional de Ciencia Tecnología e Innovación (Fonacit), organismo
que ha financiado mis estudios de postgrado; al Postgrado de la Facultad de Ingeniería y
el Comité Académico del Doctorado Individualizado por la oportunidad que me
brindaron, gracias por guiarme y apoyarme en mis estudios doctorales. Así mismo,
agradezco a mi tutor Prof. Luis Melo por ser un gran consejero y guía, por transmitirme
sus conocimientos, por ser honesto, justo y sobretodo docente; a mi comité doctoral:
Dr. Joaquín Brito y Dra. Nereida Carrión por su valiosa ayuda, asesoría y apoyo en el
trabajo, por ser mi fortaleza, por el aprendizaje recibido; al jurado evaluador Prof.
Virginia Sazo, Prof. Roger Solano, Prof. Amado Quintero y el Prof. Delfín Moronta por
sus recomendaciones; a mis estudiantes de pregrado, hoy ingenieros, Frank Fajardo,
Mariánis Urbina, Gabriela Fragachán, José Antonio Calderón, Juan José Mendes y
Carlos Maza por su contribución a la realización de las experiencias de este trabajo; al
Centro de Microscopía electrónica de la Escuela de Metalurgia (Gelin y Samuel) por su
valiosa colaboración; a Alberto Fuentes y Alberto Albornoz por su contribución en la
realización de los estudios por espectroscopía infrarroja y XPS; a la Sra. Petra
Hernández por sus sabias y oportunas recomendaciones en el análisis
termogravimétrico; a mi amiga, comadre, y colega Marta Mediavilla, por la paciencia,
la dedicación y su gran contribución a la realización de este trabajo; a mi compadre
Gustavo Landaeta por el apoyo incondicional y su asesoramiento en más de una
oportunidad; a mis amigos que fueron apoyo en estos años que duró la realización de
este trabajó: América Toro, Adriana Giuliante, Jorge García, Carmen Albornoz, Laurie
Fajardo, Adriana Alonso, Adriana Soler, Dayaleth Alfonso; a Esteban, a Julia y Olivia;
agradezco al Laboratorio de Técnicas Nucleares (LATNI), por brindarme el apoyo y un
espacio en la Facultad de Ingeniería; a la Prof. María Virginia Najul por sus
recomendaciones y ayuda; a Tamara Zoltan por su calidad humana y disposición; a la
Profesora Miriam Carmona por su apoyo; a Fabiola Espinoza y Yuraima Ollarves
(Fonacit) por darme fortaleza para continuar; al personal del Postgrado de la Facultad de
Ingeniería: Yureima, Ana y María Helena por la atención, por calmar las angustias; al
Laboratorio de Refinación y Petroquímica por la disposición de los equipos; a la
Escuela de Ingeniería Química por permitirme ser directora de tesis de sus estudiantes;
al Prof. Gustavo Pérez por su valiosa colaboración en el análisis químico; al Instituto de
Cirugía Experimental por la infraestructura para la realización de muchas de las
experiencias en la preparación de los bactericidas; agradezco a mis padres y mis hijos:
Karla y Tomás, por sobrellevar la tensión doctoral, con tanta paciencia; para aquellos
que fueron apoyo y ya no están, al profesor Gregori Colomine, gracias y finalmente a
todos mis amigos del más allá.
RESUMEN

El presente estudio es un aporte al campo de la preparación de alúminas y espumas
cerámicas, para su utilización como materiales adsorbentes en medios acuosos. Se
encontró que la síntesis de alúminas empleando diferentes carbohidratos como
templantes, permite la formación de sólidos de alta área superficial y porosidad. La
obtención de estos materiales no fue restrictiva a la utilización de precursores de
tipo alcoxo, logrando sintetizarlas con un hidróxido de aluminio de tipo
pseudoboehmita, conservando sus características físicas.
Se elaboraron espumas cerámicas con los materiales sintetizados empleando el
método de la réplica de la esponja de poliuretano. Los estructurados mostraron
fuerza mecánica del orden de los 315 kPa, alta área superficial (∼ 180 m2/g) y
porosidad (67%), propiedades que facilitaron su posterior funcionalización con
moléculas de surfactantes, permitiendo obtener un soporte con una elevada
capacidad de adsorción hacia compuestos fenólicos.
Finalmente, considerando que las alúminas también han sido utilizadas en
biocatálisis como soportes para materiales con probada actividad microbicida, se
diseñó un material inorgánico antibacterial para su aplicación en la esterilización de
aguas de consumo humano. De acuerdo con esto, se realizó un estudio sobre la
síntesis de sólidos soportados Ag/Al O , a los cuales se les evaluó su actividad
2 3
antibacterial.
Tabla de contenido

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN GENERAL.................................................................................... 1
Referencias bibliográficas……………………………………………………................4

CAPÍTULO I ................................................................................................................ 6
I.- Planteamiento del problema………………………………………………………7
I.1.-Introducción………………………………………………………………............9
I.1.-Hidróxidos, oxihidróxidos de aluminio y alúminas de transición……………...10
I.1.1.- Clasificación y nomenclatura de las alúminas......................................10
I.1.2- Propiedades físicas y químicas de las alúminas. Superficie de la alúmina….14
I.1.3.- Boehmita: estructura, propiedades y síntesis…………………………………….15
I.1.4- Síntesis de γ- alúminas mesosporosas………………………………………………16
I.1.6.- Síntesis por microondas…………………………………………………………..20
I.2.- Parte Experimental……………………………………………………………24
I.2.1.- Metodologías de síntesis y materiales……………………………………........24
I.2.1.1.- Estudio del efecto del tipo de secado………………………………………25
I.2.1.2.- Estudio del efecto del tipo de calcinado………………………………….25
I.2.2.- Técnicas de caracterización……………………………………………………...26
I.2.2.1.- Difracción de Rayos X (DRX)………………………............................25
I.2.2.2.-Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier……………..27
I.2.2.3.-Análisis Térmico (AT)……………………………………………………..29
1.2.2.3.1.- Análisis Termogravimétrico (ATG)…………………………...29
I.2.2.4.- Análisis morfológico: Microscopía Electrónica de Barrido …….......32
I.2.2.5.- Análisis textural...................................................................................32
I.2.2.5.1.-Adsorción física de nitrógeno y la determinación de las áreas
específicas por el método Brunauer, Emmet y Teller (BET)………………………..32
I.2.2.5.1.1.- Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno………32
I.2.2.5.1.2.-Tipos de Isotermas de Adsorción…………………………37
I.2.2.5.1.3.- Isotermas tipo IV, el fenómeno de condensación capilar
y la formación de la histéresis…………………………………………………………………38

i
Tabla de contenido

I.2.2.5.1.4.- Histéresis asociada con la forma del poro…………………40

I.2.2.5.1.5.- Estimación de la superficie específica, S ………………..41
BET
I.2.2.5.1.6.-Expresión polinomial del espesor estadístico t vs el logaritmo
de la presión relativa……………………………………………………………………...47
I.2.2.5.1.7.-Determinación de mesoporosidad: isoterma de alta
resolución…………………………………………………………………………………...48
I.2.2.5.1.8.- Ventajas y desventajas del empleo de la técnica de adsorción-
desorción de nitrógeno……………………………………………………………………51
I.2.2.6.-Resonancia magnética nuclear de sólidos………………………………..51

I.3.- Discusión de resultados ……………………………………………………….54
I.3.1.- Estudios sobre la variación de la fuente de aluminio en la preparación de
alúminas de transición de alta área superficial y porosidad………………...............54
I.3.1.1.- Caracterización de los hidróxidos de aluminio empleados como
precursores……………………………………………………………………………………….54
I.3.1.1.1.-Boehmita……………………………………………………………..54
I.3.1.1.1.1.- Estudios de difracción de rayos X…………………………54
I.3.1.1.1.2.- Análisis termogravimétrico………………………………….55
I.3.1.1.2.-Pseudoboehmita……………………………………………………..57
I.3.1.1.2.1.- Estudios de difracción de rayos X ………………….………57
I.3.12.1.2.2.- Análisis termogravimétrico………………………………….58
I.3.1.2.- Caracterización de las alúminas……………………………………………….59
I.3.1.2.1.- Estudios de difracción de rayos X y resonancia magnética de
sólidos………………………………………………………………………………………….....59
I.3.1.2.1.1.-Alúmina sintetizada con isopropóxido de aluminio como precursor……….60
I.3.1.2.1.2.-Alúmina sintetizada con boehmita como precursor…………………………..61
I.3.1.2.1.3.-Alúmina sintetizada con pseudoboehmita como precursor………………….63
I.3.1.2.2.-Estudios por adsorción física de N ………………………………………..64
2
I.3.1.2.2.1.- Caracterización de las alúminas preparadas empleando
isopropóxido de aluminio como precursor………………………………………................64
I.3.1.2.2.2.- Caracterización de las alúminas preparadas empleando boehmita
(B) como precursor……………………………………………………………………………...65
ii
Tabla de contenido

I.3.1.2.2.3.- Caracterización de las alúminas preparadas empleando
pseudoboehmita (PB) como precursor…………………………………………..................68
I.3.1.2.2.4.- Comparación de las propiedades texturales de los sólidos
sintetizados con los diferentes precursores (isopropóxido de aluminio, boehmita y
pseudoboehmita)………………………………………………………………………………...69
I.3.1.2.3.- Análisis mediante FTIR……………………………………………………………72
I.3.1.2.3.1.- Descripción de las observaciones del espectro IR en la Zona I (400-
1200cm-1)………………………………………………………………………………………..73
I.3.1.2.3.2.- Zona II (1300-2500cm-1)……………………………………………..74
I.3.1.2.3.3.- Zona III (2800-4000cm-1)……………………………………………..75
I.3.1.2.4.-Análisis termogravimétrico (TGA)………………………………………… 75
I.3.1.2.5.-Estudio morfológico y textural (MEB)…………………………………….....79
I.3.1.2.6.- Efecto de la glucosa en el medio de síntesis…………………………………83

I.3.2.- Estudios del efecto del tipo de carbohidrato en la preparación de alúminas de
transición de alta área superficial y porosidad…………………………………….....86
I.3.2.1.- Estudios de difracción de rayos X…………………………………………………..86
I.3.2.2.- Estudios de fisisorción de nitrógeno………………………………………………..86
I.3.2.3.- Análisis por espectroscopía infrarroja……………………………………………..92
I.3.2.4.-Análisis termogravimétrico (TGA)…………………………………………………..96
I.3.3.5.-Estudio morfológico (MEB)………………………………………………………….98

I.3.3.- Estudio del efecto del tratamiento de secado y calcinado en las propiedades
texturales de γ-alúminas sintetizadas con glucosa como agente director………….100
I.3.3.1.-Estudio del tratamiento de secado………………………………………….101
I.3.3.1.1.-Difracción de rayos X……………………………………………………………..101
I.3.3.1.2.-Estudio morfológico de las alúminas sintetizadas…………………………….102
I.3.3.1.3.-Estudios de fisisorción de nitrógeno…………………………………………….103
I.3.3.2.-Estudio del tratamiento de calcinado………………………………………106
I.3.3.2.1.-Difracción de rayos X……………………………………………………………..106
I.3.3.2.2.-Estudio morfológico de las alúminas calcinadas……………………………...106
I.3.3.2.3.- Estudios de fisisorción de nitrógeno……………………………………………107
I.4.-Conclusiones……………………………………………………………………110
iii
Tabla de contenido

I.5.- Referencias bibliográficas………………………………………………………112

CAPÍTULO II………………………………………………………………………...118
II.1.1.- Planteamiento del Problema………………………………………………...118
II.1.2.- Introducción……………………………………………………………........120
II.1.2.1.-Preparación de espumas cerámicas………………………………………...121
II.1.2.2.- Surfactantes (para la preparación de materiales adsorbentes)………...122
II.1.2.3.-Características del surfactante aniónico dodecil sulfato de sodio
(SDS)…………………………………………………………………………………………….123
II.1.2.4.- Concentración micelar crítica (CMC)………………………………………124
II.1.2.5.-Adsorción de surfactantes en las interfases sólido/líquido………….........125
II.1.2.6.- Aplicación de los materiales adsorbentes modificados con surfactantes en
la eliminación de contaminantes en aguas…………………………………………………127
II.2.- Parte Experimental…………………………………………………………….139
II.2.2.- Métodos………………………………………………………………………139
II.2.2.1.- Preparación del lodo para la impregnación de las estructuras de
esponjas poliméricas…………………………………………………………………………..139
II.2.2.- Caracterización de las espumas de alúmina…………………………….....140
II.2.3.- Funcionalización de la alúmina con SDS…………………………………….143
II.2.3.1.- Medición de la concentración del surfactante en la solución por el método
de azul de metileno…………………………………………………………………………….143
II.2.3.2.- Modificación de la alúmina comercial, en extrudado, polvo y espumas
cerámicas; modificación de la alúmina sintetizada en polvo y espumas cerámicas….144
II.2.3.3.- Determinación de la presencia de surfactante en los sólidos
modificados…………………………………………………………………………...145
II.3.- Discusión de resultados………………………………………………………...147
II.3.1.- Selección de la esponja polimérica……………………………………………..147
II.3.2.- Preparación de las esponjas cerámicas de γ-alúmina……………………….153
II.3.2.1.- Resistencia mecánica de las espumas cerámicas…………………154
II.3.2.2.- Propiedades texturales de las espumas cerámicas de
γ-
Al O ………………………………………………………………………………………….155
2 3
II.3.2.3.- Medidas de porosidad de las espumas cerámicas…………………159
iv
Tabla de contenido

II.3.2.4.- Morfologías de las esponjas cerámicas de γ-alúmina……………..160
II.3.2.5.- Estudio de la caída de presión de las esponjas de alúmina…………160
II.3.3. Preparación de la alúmina modificada con surfactante
(AMS)…………………………………………………………………………………………....163
II.3.3.1.- Estudio por espectroscopia infrarroja (FTIR)…………………………… 163
II.3.3.2. Estudios de adsorción del (SDS) sobre las alúminas modificadas con
surfactante………………………………………………………………………………
II.3.3.2.1.- Estudios de equilibrio para la adsorción del surfactante SDS sobre la
alúmina comercial……………………………………………………………………………..167
II.3.3.2.2.-Estudios de Equilibrio para la adsorción de surfactante sobre la alúmina
sintetizada………………………………………………………………………………………170
II.3.3.3.- Estudio del efecto del pH…………………………………………………..173
II.3.3.4.- Estudio por espectroscopia infrarroja (FTIR), del surfactante SDS, y
las alúminas modificadas con surfactante………………………………………………….175
II.3.4.- Adsorción de fenoles en aguas empleando las alúminas modificadas con
surfactantes (AMS)…………………………………………………………………………...174
II.4.- Conclusiones……………………………………………………………………178
II.5.- Referencias bibliográficas……………………………………………………...179

CAPÍTULO III………………………………………………………………………..184
III.1.1.- Planteamiento del problema…………………………………………185
III.1.2.- Introducción y antecedentes; Partículas metálicas de tamaño
nanométrico. Nanopartículas de plata………………………………………………187
III.1.2.1.- Propiedades físicas de las nanopartículas de plata…………………….189
III.1.2.3.-Propiedades químicas de las nanopartículas de plata………………….191
III.1.3.- Bacterias como indicadores de contaminación. …………………………..191
III.1.4.- Teoría de la desinfección del agua…………………………………………..192
III.1.4.1.- Tipos de remoción primaria en desinfección del agua…………………193
III.1.4.2.-Velocidad con la que se realiza la desinfección del agua…………..........194
III.1.4.3.- Factores que influyen en la desinfección del agua………………………196
III.1.4.4.- Modos de desinfección del agua………………………………………........198
III.2.- Parte experimental…………………………………………………………….202
III.2.1.- Preparación y caracterización de la suspensión de nanopartículas de
plata……………………………………………………………………………………………...202
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