Universidad Autónoma de Nuevo LeónFacultad de Ciencias Químicas

Ingeniería Química

Balance de Energía

Análisis de energía sobre la síntesis de nanotubos de TiO2

1 de diciembre del 2016. | Ciudad Universitaria, Nuevo León

Introducción

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En las últimas dos décadas se han encontrado las diversas aplicaciones de los nanomateriales, con áreas de gran importancia como medicina, farmacia, industria automotriz, ingeniería ambiental, bioseguridad, industria de telecomunicaciones y en la industria química. Dos áreas donde más se han utilizado los nanomateriales han hecho un avance notable para la investigación de catálisis y polímeros. El Dióxido de Titanio, actualmente es uno de los materiales con excelentes propiedades, teniendo bajos costos de elaboración y un amplio campo de estudio. Existen diversos nanomateriales de TiO2 como nanopartículas, nanocables y nanotubos. [1]

Los nanotubos de TiO2 tiene una morfología mesoporosa y con una alta superficie específica, lo que hace más fácil la adsorción de los reactivos en sitios activos de superficie. [2] Uno de los métodos para la producción o formación de las nanoestructuras de titanio, es el método hidrotermal alcalino con el cual es posible obtener diferentes morfologías de una manera controlada. El método para la síntesis se realiza actualmente bajo la supervisión del Dr. Gerardo Escamilla en el Laboratorio de Físico Química, ubicado en el área de Posgrado de la Facultad de Ciencias Químicas, UANL. El cual se basa en pesar 2.67 g de TiO2 y 40.12 g de NaOH, el NaOH se mezcla con 100 ml de agua desionizada. Posteriormente, el dióxido de titanio se mezcla con la solución de hidróxido de sodio y se vierte en un recipiente metálico aislado y bien cerrado y se comienza a agitar; durando esta agitación un tiempo de 48 horas. La mezcla tiene una temperatura inicial de aproximadamente 25 °C y se calienta hasta 120°C por medio de una resistencia la cual es controlada con un regulador de temperatura. Al alcanzar esta temperatura, se mantiene constante ésta durante los dos días de duración del proceso. Al pasar 48 horas, se detiene la agitación y se deja enfriar el recipiente, para después transferir la mezcla a un vaso de precipitados. Luego, la mezcla se coloca en un embudo Büchner para filtrar y lavar con agua desionizada (para disminuir su pH hasta 7) el dióxido de titanio al vacío. Una vez filtrado y lavado, el dióxido de titanio se introduce en un horno donde es secado a 110°C durante 24 horas. Una vez detallado el sistema, es importante saber que el sistema es aislado, esto quiere decir que, no hay transferencia de masa ni de energía. La pared que rodea al sistema es impermeable. Variables del procesoDentro del proceso las variables que se conocen son:

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- Composición: Es una propiedad intensiva, tanto cualitativa y cuantitativa de los componentes del sistema expresándose de diferentes formas, como: fracción peso, fracción masa, fracción volumen, fracción mol y fracción átomo.

- Temperatura: Que es una variable intensiva, que se relaciona con la energía interna de las substancias. Esta energía no se puede medir hasta ahora, pero con la temperatura se determina las propiedades que dependen de ella experimentalmente.

Ecuación de balance de materiaSe mencionó previamente que el sistema es aislado, no hay transferencia de masa ni de energíaDando como balance de materia lo siguiente:

[1]

m1= Entrada de masa de TiO2

m2= Entrada de masa de NaOH diluida en H2Om3= Salida de los nanotubos de TiO2 Ecuación de balance de energíaPara un sistema aislado ideal, es teórico porque requiere de una frontera física que sea aislante perfecto y no existe. Por lo tanto, un aproximado es un recipiente “térmico”. Con la ecuación general de balance de energía

[2]

Teniendo en cuenta el tipo de sistema, la ecuación nos queda de la siguiente manera

[3]

Desglosándose la ecuación

[4]

[5]

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Donde:W= Es el trabajo realizado por el termopar y del agitador.Q= es el calor de la resistenciaH= Es la entalpía de los componentes del sistemam= la masa de entrada y salida de los componentes del sistemaDiagrama de flujo

Medición experimental de las variables

CpTiO2=55 Jmol °C CpNaOH=52.576 J

mol °C CpNa 2TiO3=62 Jmol °C

Cp H 2O=¿75.34 Jmol °C

T=130°C Cálculos de balance de materia y energía m1+m2=m3 m3=42.87g-Balance de materia por especie de Ti x1m1+x2m2=x3m3 (Como en la entrada 2 no hay Ti se hace cero) x1m1=x3m3 Sustituyendo (1) (2.67g) = (x3) (42.87g) x3 Na2TiO3=0.0623 x3 H2O=1-0.0623 x3 H2O=0.9377

-Balance de Energía

[4]

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m3 Na2TiO3 = 2.67g CpNa 2TiO3=62 Jmol °C ; m3 H2O = 40.2g

Cp H 2O=75.34 Jmol °C

n3 Na2TiO3 = 0.0188mol n3 H2O = 2.233mol

m1 TiO2 = 2.67 g CpTiO2=55 Jmol °C ; n1 TiO2 = 0.0334mol

m2 NaOH = 40.2g; Cp NaOH=52.576 Jmol °C n2 NaOH = 1mol

Despejando el calor Q de la ecuación [4] y usando la ecuación [5]:

ΔH (NaTiO2)= (0.0188 mol)(62 Jmol °C )(130 °C)

ΔH (H2O)= (2.233 mol)(75.34 Jmol °C )(130 °C)

ΔH (TiO2)= (0.0334 mol)(55 Jmol °C )(130 °C)

ΔH (NaOH)= (1 mol)(52.57 Jmol °C )(130 °C)

El trabajo realizado por el agitador

W=(800 Js +65000Js ) 216,000s = 1.42128e10 J

Sustituyendo datos en la ecuación [4]Q= 14948.2866J -14,212,800,000 J = -14,212,785,202 JQ=-3947.7 kWh

Alcances del proyectoLos alcances o limitaciones que se tuvieron dentro de este proyecto

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- No se tomó en cuenta el producto de la síntesis, ya que no absorbe o libera energía

Discusión de resultadosComo es un proceso cerrado la materia que entra sale por completo, el proceso indica que es adiabático, el calor que estamos considerando al final es el de la resistencia. El trabajo que se genera por el agitador hace que tenga más impacto en el balance de energía, a diferencia de la entalpía de los reactivos que es mucho menor. Impacto ambientalEl calor que se genera de 3947.7 kWh son aproximadamente 714 kg de CO2, se puede considerar como una cantidad “pequeña” de dióxido de carbono a diferencia de cualquier otro proceso que, si esté en la industria, ya que la síntesis se considera como un micro-proceso. Teniendo en cuenta los kg de CO2, de una manera en que se pueda apreciar más o entender mejor, es equivalente a 80.3 galones de gasolina consumida o 25 lámparas incandescentes encendidas a la vez. Viéndose en este aspecto, el calor que se genera, si es preocupante, ya que, sea una cantidad grande o pequeña, de cualquier forma, contamina.Conclusión

Referencias1. Almanza-Nuñez, M. G., A. Almendárez-Camarillo, G. M. Martínez-

González, J. F. Louvier-Hernandez y J. C. Fierro-González (2011), “Síntesis, caracterización y aplicaciones de nanomateriales en catálisis y polímeros”.

2. Lección 32. Balances de energía para sistemas cerrados. (2016). Datateca.unad.edu.co. Retrieved 4 November 2016, from http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358081/ContenidoLinea/leccin_32_balances_de_energa_para_sistemas_cerrados.html

3. Cabrera, J., López, A., Vílchez, R., Alarcón, H., & Rodríguez, J. (2016). Nanoestructuras mesoporosas 1D de TiO2 obtenidas por el método hidrotermal. Scielo.org.pe. Retrieved 4 November 2016, from http://www.scielo.org.pe/scielo.php?pid=S1810-634X2014000400005&script=sci_arttext

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4. Lozano-Morales, S., Pérez-Larios, A., Guzmán-Mendoza, J., Navarro-Cerón, E., & Sánchez-Espindola, M. Síntesis y Aplicación Fotocatalítica de Nanotubos de TiO2 Preparados por el Método Hidrotermal Alcalino (1st ed.). México D.F. Retrieved from http://www.ceiich.unam.mx/nanomex2011/MemoriasNanomex/aplicaciones%20pdf/2-SL.pdf

5. .:. Resistencias Eléctricas - Hornos Industriales y Quemadores Hinra S.A.C .:. (2016). Hinrasac.com. Retrieved 25 November 2016, from http://hinrasac.com/R4/productos.html

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