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AGRADECIMIENTOS

A mis asesoras Dra. Griselda Castruita de León y Dra. Odilia Pérez Camacho por

ser pilares en el desarrollo de este trabajo.

A mis sinodales Dra. Diana Morales Acosta, Dra. Rosa Martha Jiménez Barrera y

Dr. José Román Torres Lubián por sus contribuciones y por el tiempo que dedicaron

a la revisión de este trabajo.

A los técnicos del laboratorio de membranas: M.C Claudia Yanet Yeverino Miranda

y Dr. Ángel De Jesús Montes Luna por su apoyo en el laboratorio y sus

contribuciones.

A las técnicas Lic. Maricela García Zamora, L.C.Q. Guadalupe Méndez Padilla, M.C.

Silvia Torres Rincón, Q.F.B. Jesús A. Cepeda Garza, L.C.Q. Julieta Sánchez

Salazar por su apoyo en la caracterización de los materiales.

Al Dr. Manuel de Jesús Aguilar Vega y la M.M.P. María Isabel Loría de la unidad de

materiales poliméricos del Centro de Investigación Científica de Yucatán, por las

facilidades otorgadas para la realización de la estancia 291249 y al CONACYT por

la beca 291137 para realizar estudios de maestría.

A todo el personal del CIQA por las facilidades otorgadas para la realización de este

trabajo de tesis.

Al CONACYT por el apoyo otorgado a través del proyecto 255743 del Fondo

Sectorial de Investigación para la Educación-Ciencia Básica.

Al Fondo Sectorial CONACYT-Sener-Hidrocarburos por el apoyo financiero

otorgado a través del proyecto 267962.

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DEDICATORIA

Gracias Dios quién fortalece mi alma para seguir adelante y no desmayar ante la

adversidad.

Esta tesis se la dedico a mi madre una mujer maravillosa que siempre me ha

apoyado en todos los aspectos, gracias por ser la madre que no me dio todo lo

quería sino la que me enseñó a trabajar y esforzarme para conseguir todo lo que

quiero.

Te amo mami

Este trabajo también se lo quiero dedicar a mis amigos Rafa, Odalys y Dani por su

amistad incondicional, por todo su apoyo en estos años y sobre todo por darle

alegrías a mi vida con sus ocurrencias.

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ÍNDICE

RESUMEN

SUMMARY

LISTA DE TABLAS

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIACIONES

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1

CAPÍTULO I

ANTECEDENTES

1.1 Gas natural ........................................................................................................ 4

1.1.1 Procesamiento del gas natural ................................................................ 4

1.2 Membranas ....................................................................................................... 7

1.2.1 Desarrollo histórico y comercial ............................................................... 7

1.2.2 Tipos de membranas ............................................................................... 9

1.2.3 Mecanismos de difusión de gases ......................................................... 14

1.2.4 Parámetros a evaluar en las membranas poliméricas ........................... 16

1.2.5 Polímeros y tecnología de membranas .................................................. 18

1.3 Polibenzimidazoles .......................................................................................... 20

1.3.1Síntesis ................................................................................................... 21

HIPÓTESIS ........................................................................................................... 23

OBJETIVOS .......................................................................................................... 24

CAPÍTULO II

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

ETAPA I................................................................................................................. 26

2.1 Síntesis y Caracterización ............................................................................... 26

2.1.1 Reactivos, disolventes y equipos ........................................................... 26

2.1.2 Preparación de reactivo de Eaton .......................................................... 27

2.1.3 Síntesis de polibenzimidazoles (PBIs) ................................................... 28

2.1.4 Síntesis de Ácido 2-Butoxi-tereftálico .................................................... 31

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2.1.5 Técnicas de caracterización .................................................................. 34

ETAPA II................................................................................................................ 37

2.2 Preparación de membranas poliméricas ......................................................... 37

2.2.1 Pruebas de solubilidad ........................................................................... 37

2.2.2 Purificación del polímero ........................................................................ 37

2.2.3 Obtención de Membranas ...................................................................... 37

ETAPA III............................................................................................................... 39

2.3 Ensayos de permeabilidad .............................................................................. 39

2.3.1 Mezcla ternaria de gases ....................................................................... 39

2.3.2 Ensayos de permeabilidad con gases puros ......................................... 42

CAPÍTULO III

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

ETAPA I................................................................................................................. 46

3.1 Síntesis de polibenzimidazoles ....................................................................... 46

3.1.1 Síntesis de PBI-AA a partir de ácido adípico. ........................................ 48

3.1.2 Síntesis de PBI-TPA a partir de ácido tereftálico ................................... 53

3.1.3 Síntesis de PBI-OBA a partir de ácido 4,4’-oxibis(benzoico) ................. 57

3.1.4 Síntesis de PBI-BPTA a partir de ácido 2-butoxi-tereftálico ................... 61

3.1.5 Pruebas de solubilidad ........................................................................... 67

3.1.6 Viscosidad inherente (ηinh) ..................................................................... 68

ETAPA II................................................................................................................ 70

3.2 Preparación de membranas ............................................................................ 70

ETAPA III............................................................................................................... 75

3.3 Propiedades de permeación de mezcla de gases ........................................... 75

3.4 Propiedades de permeación de gases puros .................................................. 79

CAPÍTULO IV

CONCLUSIONES ................................................................................................. 82

REFERENCIAS ..................................................................................................... 84

ANEXO A ……………………………………………………………………………….. 94

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RESUMEN

En las últimas décadas el consumo de gas natural (1.6% anual) ha aumentado

mucho más rápido que el consumo de petróleo o carbón, tan es así que se estima

que para el año 2040 se contará con un aumento en el consumo del 30% sobre lo

calculado en el 2016 por BP Energy Outlook [1]. Tal crecimiento en la demanda de

este combustible, hace de esta industria un punto de enfoque para el cual se buscan

alternativas para la optimización del proceso de producción. Entre estas

optimizaciones se encuentra el poder eliminar gases ácidos y otros gases

contaminantes, que disminuyen el poder calorífico y provocan corrosión en líneas

de almacenamiento y transporte que a su vez disminuyen la calidad del gas natural.

El interés de eliminar estas impurezas para obtener combustible con mayor

contenido energético, ha impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías para el

proceso de separación de gases. Dentro de estas nuevas tecnologías se encuentra

la basada en membranas, la cual emerge como una alternativa económica y

eficiente que compite con operaciones unitarias convencionales.

Con base a lo anterior, en este trabajo de tesis se obtuvieron membranas

poliméricas basadas en polibenzimidazoles (PBI) con estructuras poliméricas que

contienen grupos funcionales tipo éter y cadenas flexibles, que fueron sintetizados

por policondensación de 3,3-diaminobencidina (DAB) y cuatro diferentes diácidos

carboxílicos empleando un reactivo conocido como Eaton (PPMA) como agente de

condensación y solución. Uno de los diácidos carboxílicos fue sintetizado a partir de

la reacción de Williamson y fue utilizado por primera vez para la obtención de

membranas para separación de gases.

Las diferentes membranas fueron caracterizadas por diferentes métodos y

probadas en un equipo de separación de gases con mezclas ternarias CH4/CO2/N2,

del que se sabe es el único equipo en México para evaluar la permeabilidad de

mezclas de gases en condiciones similares a las requeridas en la industria.

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SUMMARY

In recent decades, the consumption of natural gas (1.6% annual) increased faster

than the consumption of oil or coal, so it is estimated that by 2040 there will be an

increase in consumption of 30% over that calculated in 2016 by BP Energy Outlook

[1]. Such growth in the demand for this fuel, makes this industry a point of focus for

which alternatives are sought for the optimization of the production process, within

these optimizations is the acid gases removal and other polluting gases, which

decrease the calorific power and cause corrosion in storage and transportation lines

that in turn lower the quality of natural gas. The interest to eliminate these impurities

to obtain fuel with higher energy content, has driven the development of new

technologies for the gas separation process. These new technologies are based on

membranes, which emerge as an economic and efficient alternative that compete

with common unit operations.

Based on the above, polymeric membranes based on polybenzimidazoles (PBI)

were obtained with polymer structures containing ether-type functional groups and

flexible chains were obtained in this thesis. The PBI were synthesized by

polycondensation of 3,3-diaminobenzidine (DAB) and four different carboxylic

diacids of which one of them was synthesized from the Williamson reaction and used

for the first time to obtain membranes for gas separation.

The different membranes obtained were characterized by different methods and

tested in a gas separation equipment with a ternary mixture CH4/CO2/N2, which is

known to be the only equipment in Mexico to evaluate gas mixtures at similar

conditions to those applied in the industry.

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LISTA DE TABLAS

Tabla 3.1. Series de PBI sintetizados.

Tabla 3.2 Solubilidad de los PBI en diferentes disolventes.

Tabla 3.3 Valores de viscosidad inherente obtenidos en NMP y DMAc para los

polímeros sintetizados a partir de ácido adípico y ácido tereftálico.

Tabla 3.4 Valores de viscosidad inherente obtenidos en NMP y DMAc para los

polímeros sintetizados a partir de ácido 4,4 oxibis-benzoico y 2-butoxi-tereftálico.

Tabla 3.5 Coeficientes de permeabilidad y selectividad ideal para las membranas

de PBI.

Tabla 3.6 Coeficientes de permeabilidad y selectividad ideal de la membrana PBI-

OBA.

Tabla 3.7 Coeficientes de permeabilidad y selectividad ideal de la membrana

obtenidas por Borjigin y col. [65].

Tabla 3.8 Coeficientes aparentes de difusión (D) y solubilidad (S) de las membranas

PBI-OBA.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Procesos industriales para la obtención de gas natural [11].

Figura 1.2 Representación esquemática de un sistema de separación por

membrana.

Figura 1.3 Científicos y sus principales aportaciones al tema de membranas [23].

Figura 1.4 Clasificación de membranas en función de los siguientes criterios:

Naturaleza, Estructura y Tipo de transporte que realiza [2].

Figura 1.5 Representación esquemática de tres de los diferentes mecanismos

posibles para la difusión de gas en la membrana a) Difusión de Knudsen, b)

Tamizado Molecular y c) Solución- Difusión.

Figura 1.6 Diagrama de Roberson de la correlación del límite superior para la

separación de CO2/CH4, imagen de la ref. [3].

Figura 1.7 Estructura molecular del PBI.

Figura 2.1 Descripción general de las etapas de la metodología experimental.

Figura 2.2 Diácidos carboxílicos empleados para la síntesis de los

polibenzimidazoles.

Figura 2.3 Representación esquemática de la reacción de síntesis de los PBI.

Figura 2.4 Esquema general para la síntesis de los polibenzimidazoles.

Figura 2.5 Ruta de síntesis para obtener el diácido carboxílico.

Figura 2.6. Esquema del sistema de reacción para la obtención del 1-butoxi-2,5-

dimetilbenceno.

Figura 2.7 Sistema de medición de viscosidad inherente.

Figura 2.8 (1) Preparación de solución polimérica, (2) centrifugado de solución

polimérica y (3) casting de solución para formar la película.

Figura 2.9 Diagrama que muestra los componentes de la celda de permeabilidad

[4].

Figura 2.10 Instalación de la membrana en la celda.

Figura 2.11 Instalación de la celda de permeabilidad.

Figura 2.12 Componentes de la celda de permeación de gases puros.

Figura 2.13 Membrana soportada con cinta de aluminio.

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Figura 3.1 Mecanismo de reacción para la formación del grupo benzimidazol.

Figura 3.2 Síntesis de polibenzimidazol a partir de 3,3-diaminobencidina y ácido

adípico.

Figura 3.3 Espectros de RMN de 1H en DMSO-D6 de los PBI sintetizados a partir

de ácido adípico y DAB a distintos tiempos de reacción.

Figura 3.4 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados a partir

de ácido adípico a distintos tiempos de reacción.

Figura 3.5 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados a partir de ácido

adípico. TPH20: Temperatura de pérdida de agua. TPCA: Temperatura de perdida de

cadena alifática. TID: Temperatura inicial de descomposición.

Figura 3.6 Síntesis de polibenzimidazol a partir de 3,3´diaminobencidina y ácido

tereftálico.

Figura 3.7 Espectros de RMN de 1H en DMSO-D6 de PBI sintetizados a partir del

ácido tereftálico a diferentes tiempos de reacción.

Figura 3.8 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados a partir

del ácido tereftálico a diferentes tiempos de reacción.

Figura 3.9 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados con ácido tereftálico.

TID: Temperatura inicial de descomposición.

Figura 3.10 Síntesis de los polibenzimidazol a partir de 3,3-diaminobencidina y

ácido 4,4’ oxi-bis(benzoico).

Figura 3.11 Espectros de RMN de 1H en DMSO-D6 de los PBI sintetizados a partir

del ácido 4,4’ oxi-bis(benzoico) a diferentes tiempos de reacción.

Figura 3.12 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados a

partir del ácido 4,4’ oxi-bis(benzoico) a diferentes tiempos de reacción.

Figura 3.13 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados con ácido oxi-

bis(benzoico).

TID: Temperatura inicial de descomposición.

Figura 3.14 Esquema general de la síntesis de los polibenzimidazol a partir de

3,3´diaminobencidina y ácido 2-butoxi-tereftálico.

Figura 3.15 Estructura del precursor 1-butoxi-2,5-dimetilbenceno y el ácido 2-

butoxi-tereftálico.

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Figura 3.16 Espectros de RMN de 1H de a) 1-butoxi-2,5-dimetilbenceno, b) ácido 2-

butoxi-tereftálico en DMSO-D6.

Figura 3.17 Espectros de 1H RMN en DMSO-D6 de los PBI sintetizados a partir del

ácido 2-butoxi-tereftalico a diferentes tiempos de reacción.

Figura 3.18 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados con

ácido 2-butoxi-tereftalico a diferentes tiempos de reacción.

Figura 3.19 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados a partir del ácido

2-butoxi-tereftálico. TID: Temperatura inicial de descomposición.

Figura 3.20 Membranas densas de a) PBI-AA, b) PBI-TPA, c) PBI-OBA y d) PBI-

BTPA.

Figura 3.21 Micrografías SEM del corte transversal de las membranas elaboradas

a partir de (a y b) PBI-AA-002, (c y d) PBI-TPA-009, (e y f) PBI-OBA-002 y (g y h)

PBI-BTPA-004.

Figura 3.22 Efecto de la presión sobre la permeabilidad de las membranas.

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LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIACIONES

A: Área de membrana efectiva (cm2)

D: Difusividad (10-8 cm2/s)

ɭ: Espesor de las membranas (cm)

P: Permeabilidad (Barrer)

R: Constante de gas ideal

T: Temperatura (°C)

S: Solubilidad (cm3 (STP)/cm3.cmHg)

α: Selectividad

Abreviaciones

DMAc: N, N-dimetilacetamida

NMP: N-metil-2-pirrolidona

DMSO-d6: Dimetilsulfóxido-D6

PBI: Polibenzimidazol

DAB: 3,3-diaminobencidina

PPMA: Reactivo de Eaton. Pentóxido de fósforo/ Ácido Metansulfónico

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1

INTRODUCCIÓN

En los últimos diez años la demanda nacional de combustibles fósiles incrementó

en un 15.3%, del cual se estima que el gas natural tuvo una participación de 43.7%

con un volumen de 7,618.63 millones de pies cúbicos diarios (mmpcd). Para el 2031

se estima que la demanda de gas natural incremente 26.8% con respecto a 2016,

alcanzando un volumen de 9,656.9 mmpcd [5]. En el país el gas natural ha cobrado

gran importancia debido a la estrategia de sustituir combustibles caros y

contaminantes como el combustóleo y el diésel por fuentes menos costosas y más

amigables con el medio ambiente. El gas natural tiene una composición muy

variable, dependiendo del yacimiento, pero generalmente está compuesto de

metano (30-90%) [6], gases ácidos como el dióxido de carbono (CO2) que al ser

mezclado con agua produce ácido carbónico el cual es el principal responsable de

la corrosión en tuberías y tanques de almacenamiento, además de ser causante del

efecto invernadero, también contiene sulfuro de hidrógeno (H2S) y gases

contaminantes como el nitrógeno (N2), por lo que es necesario someter este gas

natural crudo a un proceso de remoción de impurezas conocido como

endulzamiento con el propósito de alcanzar los estándares apropiados para su

comercialización.

La eliminación de los gases ácidos y contaminantes de las corrientes de gas natural

para obtener combustible con un mayor contenido energético y prevenir los

problemas de corrosión, además de las implicaciones ambientales, ha despertado

un interés que ha impulsado el desarrollo de tecnologías alternas para el proceso

de separación de gases. Un tipo de tecnología que ha experimentado un crecimiento

sustancial desde la década de los ochenta es la tecnología basada en membranas,

la cual ha emergido como una alternativa eficiente y económicamente atractiva para

llevar a cabo procesos de purificación de gases, compitiendo con operaciones

unitarias convencionales como destilación, absorción y adsorción. Tales

membranas han sido implementadas a nivel industrial para la obtención de N2 del

aire, separación de H2 en plantas de amoniaco, remoción de compuestos volátiles

de gases ligeros, etc. [7]. El empleo de membranas como medio selectivo para

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2

obtener una corriente de gas dulce enriquecida con CH4 representa un ahorro

significativo de energía, ya que no se requiere un cambio de fase para la separación

y además de la simplicidad en la construcción de módulos de membranas [8]. En

los últimos diez años, la tecnología de separación de gas por membranas ha

avanzado mucho y ahora puede considerarse como un método de separación de

gas industrialmente competitivo, dentro de los beneficios de esta tecnología se

incluyen una mayor recuperación del efluente gaseoso deseado que puede ser

reutilizado para múltiples propósitos [9].

Los dos parámetros principales que caracterizan el rendimiento de una membrana

son la permeabilidad y la selectividad, por ello a pesar del excepcional desarrollo en

la ciencia de los materiales, las membranas poliméricas siguen siendo la mejor

opción gracias a su capacidad para separar selectivamente los componentes de

una mezcla gaseosa además de demostrar excelentes propiedades mecánicas y de

procesamiento. No obstante, es frecuente que la limitante sea la resistencia a altas

temperaturas, presiones y compuestos químicos del medio al que vayan a ser

expuestas. Se ha demostrado que varios miembros de la familia de los

polibenzimidazoles (PBI) que son una clase de polímero termoplástico, se

caracterizan por tener altas temperaturas de degradación por encima de 500°C [7-

9]. Su excelente estabilidad térmica, química y mecánica hace del PBI un material

con grades expectativas para ser usado en la elaboración de membranas para

tratamiento de gas natural, sin embargo, debido a las fuertes interacciones

intermoleculares y a la rigidez que presenta la estructura polimérica se dificulta la

solubilidad en disolventes orgánicos y como consecuencia su facilidad de

procesamiento para la elaboración de películas [9,10]

De acuerdo a lo antes mencionado, este trabajo de tesis consistió en sintetizar

estructuras poliméricas de PBI que contienen grupos funcionales de tipo éter (C-O)

y cadenas flexibles que otorguen mayor movilidad a la estructura poliméricas, para

obtener PBI con buenas propiedades térmicas, químicas y de disolución que

permitan la elaboración de membranas para su análisis de permeación para la

separación de una mezcla de gases CH4/CO2/N2.

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3

Este documento está integrado por cuatro capítulos donde se describe el desarrollo

de este proyecto de investigación.

En el Capítulo I se hace una recopilación de los antecedentes de la

tecnología basada en membranas para separación de gases, donde se

describen los tipos de membranas, mecanismos de separación, parámetros

a evaluar en las membranas, así como los principales polímeros utilizados

para su preparación.

El Capítulo II describe detalladamente la metodología experimental

implementada en este trabajo de tesis, que abarca tres etapas, síntesis y

caracterización, la preparación de las membranas y por último la evaluación

de la permeabilidad de gases.

Los resultados obtenidos en las tres etapas mencionadas y su análisis y

discusión se incluyen en el Capítulo III.

Por último, en el Capítulo IV se establecen las conclusiones de acuerdo a los

resultados obtenidos en este proyecto de tesis.

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CAPÍTULO I

ANTECEDENTES

1.1 Gas natural

El gas natural (GN) es una mezcla de hidrocarburos en estado gaseoso que se

encuentra en yacimientos en el subsuelo y resultó de la descomposición durante

millones de años de restos de origen animal y vegetal. En su mayoría está

compuesto por metano, etano y propano, sin embargo, dentro de su composición

se destacan otros compuestos como el dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2),

hidrógeno (H2), sulfuro de hidrogeno (H2S), agua e impurezas que ocasionan una

disminución del poder calorífico y corrosión. El consumo de gas natural por año a

nivel mundial se estima en 1.6% y va en aumento, ya que se pronostica que para el

2040 el consumo será de 30% por sobre lo calculado en el 2016 por BP Energy

Outlook [1].

1.1.1 Procesamiento del gas natural

El procesamiento implica una serie de operaciones unitarias en los que el

hidrocarburo extraído es sometido a cambios de presión y temperatura mediante

plantas endulzadoras, criogénicas y fraccionadoras [5]. En la Figura 1.1 se muestra

cada una de las etapas que constituyen el proceso de obtención de gas natural, y

cabe mencionar que actualmente Pemex es la única empresa que cuenta con

complejos procesadores de gas natural en el país. Dentro del proceso existe una

etapa conocida como endulzamiento de gas, que consiste en la absorción selectiva

de los contaminantes (CO2 y H2S), mediante la utilización de una solución acuosa a

base de amina [14]. Esta etapa es de suma importancia ya que es la responsable

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5

de obtener gas natural con alto poder calorífico, que a su vez reduce la corrosión y

congelamiento en los sistemas de almacenamiento y tuberías [15].

Figura 1.1 Procesos industriales para la obtención de gas natural [14].

El gas natural debe procesarse para cumplir con estándares de calidad, los cuales

son especificados por compañías de transmisión y distribución [16] y dependerán

de las necesidades del mercado que se requiere atender.

La problemática en el procesamiento radica principalmente en que los métodos

industriales implementados (destilación, absorción y adsorción) conllevan a la

compra de equipos complejos y de alto costo, los cuales durante el proceso

frecuentemente causan problemas como inundaciones, formación de espuma y

arrastre [12,14] que a su vez ocasionan paros en las plantas y reducen la eficiencia

operativa. Por otra parte, estos procesos involucran un cambio de fase y un alto

consumo de energía, por lo que los costos de operación se incrementan. Otra

problemática que enfrenta esta industria, es que el alto contenido de N2 en las líneas

de gas natural provoca corrosión y desgaste en los equipos, y a determinadas

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6

concentraciones en el gas natural pode generar un incremento en la formación de

foto-oxidantes tales como los óxidos nitrosos que resultan dañinos a la salud

humana. Por lo tanto, se ha despertado un gran interés en la búsqueda de nuevas

técnicas más económicas y efectivas para la eliminación de gases ácidos de las

corrientes de gas natural y contrarrestar la problemática de purificación del gas

natural, algunas alternativas se mencionan a continuación:

Optimización del proceso de absorción química mediante aminas, donde el

principal inconveniente que se presenta es la reacción de aminas con los

óxidos de nitrógeno y azufre, que generan sales que aumentan la perdida de

absorbentes [15,16].

Otra alternativa que ha sido poco estudiada es la basada en un proceso de

fisisorción, que consiste en pasar una corriente de gas mezclado a través de

un sólido poroso que puede ser carbón activado. Los principales problemas

de esta tecnología se basan en la baja capacidad de adsorción y selectividad

de estos sólidos [20].

El enfriamiento de gases hasta su licuación y posterior separación es otro

proceso que se encuentra en vías de desarrollo, sin embargo, esta tecnología

conlleva un alto consumo energético lo cual sería su principal inconveniente

[17,18].

Una tecnología que ha presentado un crecimiento sustancial desde la década

de los 80´s es la basada en membranas, la cual consiste en separar los

componentes del gas aprovechando las diferencias de solubilidad/ difusividad.

Esta tecnología ha mostrado características prometedoras, como son eficiencia

energética, diseño de proceso sencillo y bajos costos de producción en

comparación a los costos generados implementando métodos convencionales.

Los principales inconvenientes de esta tecnología es que la presencia de

algunas impurezas en el gas pueden causar daño a las membranas, lo que

resultaría en una remoción ineficiente de gases ácidos [6,19,20].

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1.2 Membranas

Una membrana se define como una barrera semipermeable que permite el paso

selectivo de cierto tipo de moléculas que resulta en un flujo permeado, e impide el

paso del otro componente generando un flujo retenido (Figura 1.2) [6,21]. Se

requiere de una fuerza externa para que se lleve a cabo el transporte a través de la

membrana, la cual puede ser una fuerza mecánica (presión), química

(concentración), térmica (temperatura) o eléctrica (voltaje) [25].

Figura 1.2 Representación esquemática de un sistema de separación por

membrana.

1.2.1 Desarrollo histórico y comercial

El primer estudio registrado sobre membranas data de mediados del siglo XVIII, en

el cual A. Nollet, descubrió que la vejiga de cerdo al ponerla en contacto por un lado

con una mezcla de agua/ etanol y, por el otro lado con agua pura, ésta mostraba

una preferencia por el etanol [26], lo que dio paso al descubrimiento del fenómeno

de osmosis. En 1829 el químico escocés T. Graham, también conocido como el

padre de la ciencia basada en membranas estudió la difusión de gases y líquidos a

través de diferentes medios y descubrió que el caucho natural exhibe diferentes

permeabilidades en diferentes gases [5,23,25]. En 1855, A. E. Fick un destacado

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8

fisiólogo, estudió el transporte de gas a través de membranas y postuló el concepto

de difusión o la bien conocida ley de Fick [29].

Después de muchos años de investigación se desarrollaron las teorías que

explicaron al fenómeno de transporte de especies en membranas, que resultaron

en la invención de una membrana asimétrica de acetato de celulosa por Loed y

Sourirajan en 1962, que permitía la separación de gases [30], ya para 1980 PRISM

membrane (Monsanto) comercializó la primera membrana de separación de

hidrógeno de la línea de gas de purga de las plantas de amoníaco [28]. Unos años

más adelante Dow estaba fabricando sistemas para separar el nitrógeno del aire,

Cynara y Separex los cuales producían sistemas para la separación de dióxido de

carbono del gas natural, y a partir de ahí, se han desarrollado numerosas

investigaciones, hasta hoy en día, para producir membranas de alto rendimiento

para diversas aplicaciones y utilizando una gran variedad de materiales[31].

Figura 1.3 Científicos y sus principales aportaciones al tema de membranas [26].

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9

1.2.2 Tipos de membranas

Las membranas tienen una amplia clasificación según el criterio que se elija,

algunas clasificaciones se especifican en la siguiente Figura.

Naturales Biológicas Bicapas lipídicas No Biológicas Arcillas

Metálicas Inorgánicas Vítreas Cerámicas Naturaleza

Poliméricas Pol. Funcionalizados Pol. No funcionalizados

Sintéticas De volumen Liquidas De emulsión Soportadas

Por capas superpuestas

Compuestas Por inclusión Por mezclas de polímeros Densas Según Microporosas

Porosidad Porosas Mesoporosas Estructura Macroporosas

Microscópica Estructura Según Simétricas configuración Asimétricas Estructura Laminares

Macroscópica Tubulares Fibra huecas

Membranas Difusión de Knudsen Porosas Flujo fase liquida

Difusión

Transporte Membrana de intercambio

Intercambio catiónico o aniónico

iónico Difusión

Membrana Densas Solución-difusión

Figura 1.4 Clasificación de membranas en función de los siguientes criterios:

Naturaleza, Estructura y Tipo de transporte que realiza [2].

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10

Tal como se puede observar en la Figura 1.4 existe una amplia clasificación para

las membranas, sin embargo, la elección apropiada de una membrana se determina

principalmente por el objetivo específico de su uso (retiro de partículas, purificación

del agua, retiro de gases de productos químicos específicos, purificación y

separación de gases, etc.), así como por la naturaleza del material, por su estructura

morfológica y/o su mecanismo de transporte.

Algunas de las membranas con mayor interés en el ámbito de la investigación para

separación de gases se describen a continuación.

a) Membranas poliméricas

El creciente interés hacia las membranas poliméricas (orgánicas), radica

principalmente en la existencia de una gran variedad de polímeros con los que se

pueden diseñar membranas con características específicas, además de la

versatilidad en estructuras químicas, con la posibilidad de controlar las

configuraciones moleculares de los polímeros, propiedad que afecta directamente

en la permeabilidad y selectividad de las membranas. Actualmente, la mayoría de

las membranas industriales para la separación de gases se fabrican con materiales

poliméricos [28], ya que son muy competitivas desde el punto de vista económico y

de desempeño [32].

Las membranas poliméricas se dividen básicamente en dos grupos haciendo

referencia a su estructura interna: Membranas porosas y no porosas (densas).

Membranas porosas

Este tipo de membranas tienen una estructura rígida con poros distribuidos

aleatoriamente. Su mecanismo de separación se basa principalmente en el tamaño

de las moléculas de la sustancia a permear y de las propiedades de la membrana,

tales como el tamaño molecular del polímero de la membrana, el tamaño de los

poros y la distribución de los mismos [30,31], y a su vez influye directamente en el

grado de selectividad que tendrá la membrana. Una membrana que contiene poros

con diámetros entre 2 y 500 nm, se puede considerar del tipo porosa, estos poros

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11

se pueden clasificar en micro (menor de 2 nm), meso (2-50 nm) y macroporos

(mayor a 50 nm) [28]. La difusión de Knudsen tiene lugar en este tipo de

membranas, esto quiere decir que el flujo de gas a través del poro es proporcional

a la velocidad de paso de la molécula, e inversamente proporcional a la raíz

cuadrada de la masa de la molécula.

Existen varias maneras de preparar membranas poliméricas porosas, tales como

casting, estirado sinterizado y separación de fases [9]. La morfología final de la

membrana obtenida variará en gran medida, dependiendo de las propiedades de

los materiales y de las condiciones de proceso utilizadas.

Membranas No Porosas

Como su nombre lo dice este tipo de membranas no presenta poros, y son

membranas que presentan una alta compactación, son también conocidas como

membranas densas [33]. Estas membranas tienen altas propiedades de

selectividad, sin embargo, la velocidad de transporte de los gases a través del medio

suele ser baja [9], [28]. El transporte de los gases través de las membranas densas

se describe mediante un mecanismo de solución-difusión [35], en donde la

selectividad está regulada por la estructura molecular y los movimientos

moleculares del polímero que permite el paso de ciertas moléculas de gas en

función de sus diámetros cinéticos [15]. Este mecanismo generalmente se considera

como un proceso de tres etapas:

i. Sorción de las moléculas de gas por la superficie de la membrana

(aguas arriba).

ii. Difusión de las moléculas de gas a través de la matriz polimérica.

iii. Desorción de las moléculas de gas (aguas abajo).

Por otro lado, la permeabilidad está determinada por la solubilidad del gas, la que a

su vez está controlada por la capacidad de los gases para condensarse [36].

En el modelo de solución-difusión, los permeantes se disuelven en el material de la

membrana y luego se difunden a través de la membrana por un gradiente de

concentración y una diferencia de presión [36], [37].

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12

Se puede preparar una membrana densa por extrusión en estado fundido y también

por el método de casting en donde se moldean membranas densas a partir de

soluciones poliméricas, seguidas por la evaporación completa del disolvente

después del vaciado [9].

b) Membranas Inorgánicas

En la industria de la separación de gases la mayoría de la tecnología basada en

membranas, son de materiales poliméricos (polisulfonas, policarbonatos y

poliimidas), aunque estas membranas presentan buena permeabilidad y

selectividad, la mayoría alcanzan condiciones operativas máximas de

aproximadamente 100°C, lo que representa una desventaja para estas membranas

ya que en los numerosos procesos industriales las condiciones de operación suelen

ser considerablemente más altas. Una alternativa que se explora cada vez más

para la separación de gases a altas temperaturas, son las membranas elaboradas

con materiales inorgánicos (zeolitas, carbón nanoporoso, silicio ultraporoso,

aleaciones de Pd, perovskitas, y/o grafeno) [28], porque han resultado tener una

apreciable estabilidad térmica y química. Estas membranas inorgánicas también se

clasifican en membranas no porosas (Ejem. membranas de Pd o perovskita) y

porosas (Ejem. membranas de alúmina, sílice, titanio, acero inoxidable y plata) [9].

Dentro de las desventajas que presentan, es que se requiere una gran inversión de

capital por el uso de metales preciosos, además de lograr un adecuado control del

tamaño de poro como en el caso de las membranas microporosas de sílice [38].

c) Membranas de matriz mixta (MMM)

Estas membranas que se caracterizan por la incorporación de cargas inorgánicas o

“filler” en una matriz polimérica, nacen de la necesidad de superar las limitaciones

que presentan las membranas poliméricas e inorgánicas, individualmente. Fueron

propuestas por Kul-Prathipanja y col. en 1988 [15], como una alternativa que

combinan las propiedades de los materiales inorgánicos con las propiedades

mecánicas y la procesabilidad de los polímeros [39].

Estas membranas híbridas en su mayoría ofrecen alta selectividad y permeabilidad

deseables en los procesos de separación de gases debido a la combinación

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sinergística resultante de las propiedades de los polímeros con los cerámicos [28].

Sin embargo, la inclusión de estas partículas puede tener tres efectos posibles sobre

la permeabilidad de la membrana: las partículas actúan como tamices moleculares

que alteran la permeabilidad en relación con el tamaño molecular, pueden alterar la

matriz polimérica resultando en microcavidades aumentadas que permiten el

aumento de la permeabilidad, o bien pueden actuar como una barrera y reducir la

permeabilidad [6], [15], [28].

Aunque las MMM tienen un gran potencial en las separaciones de gas, son pocos

los intentos informados de aumentar el rendimiento de las membranas, esto se debe

a que la fabricación de la MMM implica el reto de conseguir una buena dispersión

homogénea con alto contenido de carga y principalmente la adhesión entre fases

[40].

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14

1.2.3 Mecanismos de difusión de gases

La difusión es el proceso mediante el cual las moléculas se propagan desde áreas

de alta concentración a áreas de baja concentración. Para una mejor comprensión

de este término se han desarrollado mecanismos que explican los fundamentos de

la difusión de gases a través de las membranas, dependiendo de las propiedades

tanto del permeante como de la membrana [9], [41]. Hay tres tipos principales de

difusión a través de membranas: difusión de Knudsen, el de tamiz molecular y el

mecanismo de solución-difusión.

a) Difusión Knudsen

Este tipo de difusión tiene lugar en una membrana porosa, y ocurre en los poros con

diámetros estrechos (2-50 nm), debido a que las moléculas de gas interactúan con

las paredes de los poros con mucha más frecuencia que chocando unas con otras.

Esto permite que las moléculas más ligeras difundan preferentemente a través de

los poros (Figura 1.5a), debido a que la relación del radio de poro (r) con respecto

al camino libre medio (λ) es menor que la unidad [28]. Como hay menos colisiones

entre las moléculas la separación se logra porque las especies gaseosas se mueven

a diferentes velocidades [9]. En esta difusión la selectividad para mezclas de gases

se estima a partir de la raíz cuadrada de la relación de los pesos moleculares [36],

[42].

b) Difusión molecular

Se basa principalmente en la exclusión de tamaño y discriminación de forma

precisas entre diversas moléculas de gas por los microporos de aproximadamente

0.5 nm de diámetro (Figura 1.5b) [28]. Para que en una membrana se presente este

tipo de difusión, la membrana debe presentar diámetros de poro que se encuentre

entre los tamaños de diámetros de las moléculas de gas a separar. Al haber una

distribución del tamaño de poro en las membranas, entonces las moléculas de gas

más pequeñas pueden penetrar y así lograr una separación muy alta, pero a medida

que disminuye el tamaño de poro, se espera que la porosidad de la membrana

disminuya, lo que da como resultado un flujo de gas menor a través de la membrana.

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15

Por lo tanto, el tamaño de poro y la porosidad deben equilibrarse para producir una

membrana eficiente [9].

c) Solución-difusión

Este mecanismo describe el transporte de gases a través de membranas

poliméricas densas, en donde las moléculas permeantes se disuelven en el material

de la membrana y luego se difunden a través de ella por un gradiente de

concentración (Figura 1.5c). En este modelo la selectividad está regulada por la

estructura molecular del polímero, por lo tanto, los movimientos segmentarios de las

cadenas de polímeros y el empaquetamiento de los polímeros son dos variables

importantes en la activación de la difusión de pequeñas moléculas de gas a través

de la membrana. Hay dos consideraciones que se toman en cuenta en este modelo:

1) que la membrana está en equilibrio con los fluidos que yacen en ambos lados de

ella en la interfaz y 2) que las diferencias de concentración y presión a través de las

membranas se representan solo como el gradiente de concentración del permeado

disuelto dentro de la membrana [28], [36], [43].

Figura 1.5 Representación esquemática de tres de los diferentes mecanismos

posibles para la difusión de gas en la membrana a) Difusión de Knudsen, b)

Tamizado Molecular y c) Solución- Difusión.

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16

1.2.4 Parámetros a evaluar en las membranas poliméricas

Es importante resaltar que en el presente trabajo se estudian membranas del tipo

densas, las cuales están regidas por el mecanismo de solución- difusion, donde el

proceso de solución se da en la superficie de la membrana que entra en contacto

directo con el gas alimentado y el proceso de difusion ocurre a través de la

membrana no porosa. La capacidad de la membrana de separar una mezcla de

multicomponentes por este mecanismo de solución-difusion no solo se basa en las

interacciones termodinámicas de la membrana polimérica sino además en el

transporte de masa difusivo-selectivo de los componentes de la mezcla gaseosa a

través de la membrana, este transporte se ve afectado por los movimientos de corto

alcance en las cadenas poliméricas que dependen principalmente de la estructura

molecular del polímero [44].

a) Coeficiente de permeabilidad (P)

Usando el modelo de solución-difusión, el coeficiente de permeabilidad puede ser

definido como el producto de un coeficiente de solubilidad, un promedio de

concentración y un coeficiente efectivo de difusión y está dada en unidades Barrer

(1 Barrer = 10−10 cm3 (STP) cm/cm2·s·cmHg) [45]. También denominada

simplemente permeabilidad, es una característica que depende del espesor de la

membrana, del material polimérico y de la naturaleza del gas y se ve afectada por

la variación de la presión [28]. La permeabilidad en polímeros amorfos disminuye

con la presión, mientras que en los polímeros elásticos se incrementa [44]. Se ha

observado que la permeabilidad generalmente disminuye si aumenta el tamaño

molecular del gas penetrante, sin embargo, existen estudios donde se aprecia que

la permeación se incrementa en polímeros amorfos cuando se permea CO2 cuando

se aumenta la presión, esto debido a un fenómeno conocido como plastificación [22]

[46], causado por la disolución de este componente dentro de la membrana que

mejora la movilidad entre segmentos.

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17

b) Coeficiente de difusión (D)

El coeficiente de difusión (D) indica la rapidez con que penetran las moléculas de

gas a través de la membrana y es estimado a partir de los coeficientes de

permeabilidad y solubilidad, es comúnmente expresado en cm2/s [47]. En los

materiales poliméricos, el coeficiente de difusión disminuye a medida que aumenta

el tamaño molecular del gas penetrante, ya que las moléculas grandes interactúan

con más segmentos de la cadena del polímero comparado con las moléculas

pequeñas [48]. Los coeficientes de difusión son también sensibles a la flexibilidad

de las cadenas poliméricas y al volumen libre en el polímero, que depende de la

cantidad de defectos y otras características estructurales que dan lugar a aberturas

suficientemente grandes para permitir la difusión de los gases [13], [43], [49].

c) Coeficiente de solubilidad (S)

Este coeficiente se define como la relación de la concentración de gas en un

polímero a una presión de gas [43]. El coeficiente de solubilidad depende

principalmente de la condensabilidad de las moléculas de gas penetrante, la

cantidad de volumen libre y en menor medida a las interacciones especificas entre

las moléculas del gas y el polímero [13], [50]. Se toma como un referente de la

cantidad máxima de gas sorbido por la membrana a una presión de equilibrio. Dado

que existe una relación entre el gas y el polímero que afecta la solubilidad, se ha

observado que entre mayores sean las interacciones entre las moléculas de gas

penetrante con los grupos funcionales del polímero, la solubilidad incrementará.

d) Volumen libre

En los polímeros el volumen libre es el espacio no ocupado por las moléculas del

polímero y puede ser generado por ineficiencias en el empaquetamiento de las

cadenas poliméricas en estado sólido y por el movimiento molecular de los

segmentos de la cadena del polímero. El volumen libre es una de las variables

estructurales más importantes que influyen en las propiedades de transporte del gas

en los polímeros. El modelo de Cohene-Turnbull predice que los coeficientes de

difusión aumentan fuertemente a medida que aumenta el volumen libre [51], [52]. El

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18

volumen libre se calcula como la diferencia entre el volumen específico experimental

y el volumen teórico ocupado por las cadenas poliméricas [43].

e) Selectividad

Es un parámetro que representa la capacidad de un polímero de separar dos gases,

A y B, en relación de sus valores de permeabilidades, por ello para una mezcla de

gases A y B, la selectividad ideal está dada por la siguiente ecuación:

A/B=PA/PB

Donde A/B es la selectividad para un par de gases mientras que PA y P B son las

permeabilidades para ese par de gases. Las membranas no porosas o densas

tienen altas propiedades de selectividad, pero la velocidad de transporte de los

gases a través del medio suele ser baja, es bien conocido que las membranas de

polímeros con alta permeabilidad tienen baja selectividad y viceversa [53]. Esta

tendencia fue analizada por Roberson (Figura 1.6) quien dedujo un modelo de límite

superior para una variedad de separación de gases que representa las

combinaciones más favorables de permeabilidad y selectividad de las membranas

de polímero informadas en la literatura [54].

1.2.5 Polímeros y tecnología de membranas

Uno de los puntos más importantes en la tecnología de separación por membranas,

es la selección del material, ya que de ello dependerá la eficiencia de separación

entre los componentes de la mezcla gaseosa, para ello existen criterios para

seleccionar el material, los cuales se basan principalmente en la capacidad de

sorción, la resistencia térmica, química y mecánica que presente el material. En el

caso de los materiales para membranas poliméricas, hay otros puntos que deben

cubrirse como son: la capacidad del polímero para resistir la plastificación inducida

por el hinchamiento, la capacidad para formar películas delgadas, la resistencia al

envejecimiento para asegurar un rendimiento continuo durante largos periodos de

tiempo y tener buena interacción química con los gases penetrantes [48]. La

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estructura molecular y la polaridad del material polímero son también algunos de los

factores que afectan el rendimiento de la membrana. Actualmente, hay una amplia

gama de materiales poliméricos para membranas de separación de gases, sin

embargo, no todos cubren la expectativa de la alta permeabilidad y la alta

selectividad. Se ha comprobado que la alta permselectividad solo se puede obtener

con polímero que tienen estructuras rígidas y pequeñas brechas intersegmentos,

alta Tg y alta resistencia a la plastificación [55]. Los ejemplos incluyen poliacetileno

sustituido, perfluoropolímeros, polinorborneno y algunas poliimidas [28]. Por ello, los

esfuerzos científicos se han direccionado a la creación de materiales más

permeables y más selectivos que puedan pasar el límite superior del diagrama de

Roberson (Figura 1.6) [41], [56] pero que además tengan alta resistencia térmica,

química, mecánica y facilidad de formación de películas para elaborar membranas.

Unos de los polímeros de reciente exploración para la aplicación de separación de

gases y que además cumple en su mayoría con los requisitos es el conocido

polibenzimidazol.

Figura 1.6 Diagrama de Roberson de la correlación del límite superior para la

separación de CO2/CH4, imagen de la ref. [3].

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20

1.3 Polibenzimidazoles

Los polibenzimidazoles son una clase de polímeros heterocíclicos (Figura 1.7) que

posee una estabilidad térmica alta [10], [57], [58], así como alta resistencia

mecánica [59] y química [60], [61]. En 1959 Brinker y Robinson [62] sintetizaron los

primeros polibenzimidazoles alifáticos y dos años más tarde Vogel y Marvel [10],

[63] sintetizaron los primeros polibenzimidazoles aromáticos. En la década de los

80´s Hoechst Celanese comercializó fibras de polibenzimidazol para aplicaciones

de bloqueo de fuego [64]. Posteriormente, Hoechst Celanese y Alpha Performance

Company desarrollaron una tecnología para moldear piezas de polibenzimidazol

bajo el nombre de Celazole® [57], [65].

Desde entonces, los polibenzimidazoles han recibido gran atención debido a sus

excelentes propiedades y han sido ampliamente utilizados en la industria automotriz

[66], aeronáutica [67] y microelectrónica [57], entre otras. Estas propiedades

también hacen del polibenzimidazol un candidato prometedor en la aplicación de

separación de gases a temperaturas elevadas y en medios químicos agresivos [68],

[69]. Se han encontrado en la literatura trabajos sobre la evaluación de las

propiedades de transporte de gas del polibenzimidazol, por ejemplo, Berchtold y col.

probaron el rendimiento a largo plazo de la separación de gases usando membranas

compuestas (m-PBI/ Zirconia/ Acero inoxidable) en entornos puros y simulados y

reportaron buena selectividad ante la mezcla H2/CO2 y excelente estabilidad

termoquímica del polímero [70]. Por otra parte, también se ha reportado la

evaluación de propiedades de transporte en gases puros en membranas elaboradas

a partir de polibenzimidazoles a base de 3,3-diaminobencidina y ácidos

dicarboxílicos alifáticos, en donde se obtuvieron selectividades más altas para los

NH

N

NH

N

R

n

Figura 1.7 Estructura molecular del PBI.

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gases He/H2 en algunos de los PBI investigados en comparación con el m-PBI [71].

Kumbharkar y col. investigaron las propiedades de permeación de gas en

polibenzimidazoles N-sustituidos y reportaron que los grupos voluminosos

ocupados en la N-sustitución proporcionan una mejora en la permeabilidad en gases

puros en comparación con el m-PBI [13]. Joseph y col. propusieron mejorar la

permeabilidad mediante la incorporación de injertos de poli (óxido de etileno) (PEO)

o poli (carbonato de propileno) (PPC), dando como resultado un aumento tanto en

la permeabilidad del H2 como en la selectividad del H2/CO2, sin sacrificar la

estabilidad térmica y mecánica de los polibenzimidazoles [72]. A pesar de sus

sobresalientes propiedades, el PBI tiene limitada solubilidad, lo cual dificulta la

preparación de las membranas [57], [73].

Actualmente es sabido que, a través de la modificación apropiada del PBI, puede

ser posible aumentar la solubilidad en disolventes orgánicos sin comprometer las

propiedades térmicas e incluso mejorar las propiedades de permeación de gases.

Algunas de las modificaciones estructurales que se han reportado en la literatura

son: la introducción de un enlace flexible [74], grupo colgante o grupo flúor [75], [76]

en la cadena polimérica principal, también se ha reportado la síntesis de PBIs

sulfonados para resolver el problema de la solubilidad [65]. Alternativamente, otro

método para mejorar la solubilidad de los polibenzimidazoles es la sustitución del

sitio reactivo N-H [11], [57]. Hoy en día se sigue investigando la incorporación de

grupos voluminosos que aumenten el volumen libre sin afectar seriamente la rigidez

de la cadena, de manera que la permeabilidad del gas pueda ser elevada. Cabe

mencionar que en el presente trabajo de investigación se sintetizó un nuevo

polibenzimidazol a partir del ácido 2-butoxi-tereftálico del cual no se tiene reporte

alguno de su síntesis ni de que haya sido utilizado como membrana para la

separación de gases.

1.3.1 Síntesis

En la actualidad se cuentan con aproximadamente 5600 referencias que contiene

el concepto de polibenzimidazol en la base de datos de SciFinder, lo que claramente

da un panorama de la importancia de este polímero hoy en día. Un hecho importante

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es que casi en el 90% de las publicaciones, estos polibenzimidazoles fueron

sintetizados a través de la policondensación de tetraaminobifenilo (TAB) y una

variedad de ácidos dicarboxílico [77]. El TAB se convirtió en el monómero más

utilizado para la síntesis de polibenzimidazoles, a pesar de ello, en la literatura

también se puede encontrar reportes donde se remplaza al TAB, sin embargo, los

resultados no son positivos debido a que los polibenzimidazoles obtenidos

presentaron una baja en sus propiedades en comparación con los sintetizados con

TAB [78]. Cabe señalar que por lo general los PBI son solubles en solventes polares

apróticos tales como N, N-dimetilacetamida (DMAc), dimetilsulfóxido (DMSO),

dimetilformamida (DMF) y N-metilpirrolidona (NMP) [77]. Y en raros casos el PBI

obtenido mostró solubilidad únicamente en disolventes de bajo punto de ebullición

[79]. Gracias a estos estudios se encontró que la solubilidad de los PBI depende de

la estructura del ácido dicarboxílico. Estos resultados llevaron a muchos grupos de

investigación a realizar síntesis para modificar la estructura del ácido y así aumentar

la solubilidad [11][80][81].

Otro factor a considerar en la síntesis de PBI, es el uso de ácido polifosfórico y/o

reactivo de Eaton como disolvente y agente de condensación. El ácido polifosfórico

(PPA) es uno de los reactivos más eficaces para llevar a cabo reacciones de

alquilación y acilación en sistemas aromático y olefínicos, sin embargo, presenta

una alta viscosidad que hace complicada la manipulación del medio de reacción de

manera eficaz, incluso es difícil de manejar a gran escala y temperaturas elevadas

Por ello, se ha optado por el uso del llamado reactivo de Eaton que es una solución

de fácil preparación compuesta de pentóxido de fósforo en ácido metanosulfónico

en una relación 1:10 en peso para contrarrestar las dificultades encontradas con el

PPA [82][83] . El reactivo de Eaton es un líquido incoloro de baja viscosidad que

puede ser vertido y agitado sin dificultad. Los compuestos orgánicos involucrados

en la síntesis de los PBI se disuelven fácilmente en este medio y el reactivo puede

destruirse convenientemente con aproximadamente tres veces su peso de agua o

con solución acuosa saturada de bicarbonato de sodio.

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23

HIPÓTESIS

Mediante la modificación de la estructura molecular de los PBI con la presencia de

cadenas flexibles y/o grupos éter, se propiciará la disminución de los factores

(interacciones intermoleculares y rigidez) que dificultan la solubilidad del PBI y a su

vez facilitará la elaboración de películas. Se incrementará la posibilidad de obtener

membranas con buenas propiedades fisicoquímicas y térmicas que puedan ser

evaluadas en la separación de una mezcla ternaria de gases que contenga

CH4/CO2/N2.

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OBJETIVOS

Objetivo general

Sintetizar y caracterizar polibenzimidazoles con estructuras parcialmente

flexibles y estudiar sus propiedades fisicoquímicas, térmicas y de formación

de películas para evaluar su aplicación como membranas para separación de

una mezcla ternaria de CH4/CO2/N2.

Objetivos específicos

Sintetizar y caracterizar fisicoquímicamente los polibenzimidazoles.

Evaluar las condiciones de polimerización.

Realizar pruebas de solubilidad de los materiales sintetizados.

Estudiar las propiedades térmicas de los polibenzimidazoles.

Preparar membranas por el método de vaciado en placa (casting).

Estudiar las propiedades de transporte y separación de gases de las

membranas que presenten las mejores propiedades.

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CAPÍTULO II

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

En este capítulo se describe a detalle la metodología experimental que se empleó

en este trabajo de tesis, la cual se encuentra dividida en las tres etapas que de

manera general se plantean en la Figura 2.1. En la primera etapa se describe cada

procedimiento para llevar a cabo la síntesis de los polibenzimidazoles y sus

respectivas caracterizaciones. Con los materiales sintetizados se procede a la

elaboración de las películas poliméricas que corresponde a la segunda etapa, y por

último en la tercera etapa se da a conocer la metodología para evaluar el

desempeño de las películas como membrana mediante los ensayos de

permeabilidad de gases. Adicionalmente, se presentan los reactivos y equipos

utilizados en cada una de las etapas.

3,3 Diaminobencidina

CARACTERIZACIÓN:

-RMN

-FTIR

-TGA

-VISC.INHERENTE

Agente de condensación

EVALUAR:

-Tipo de solvente.

-Concentración de la solución.

-Temperatura de disolución.

-Tiempo de disolución.

CARACTERIZACIÓN:

- SEM

CÁLCULOS:

Permeabilidad Selectividad

αA/B=PA/PB

ETAPA ISÍNTESIS DE PBI

ETAPA II

PREPARACIÓN DE MEMBRANAS

1. Colocar membrana en celda de

permeabilidad.

2. Utilizar una mezcla gaseosa ternaria o un

gas puro.

ETAPA III

ENSAYOS DE PERMEABILIDAD

+

+

Ac. Dicarboxilico

Figura 2.1 Descripción general de las etapas de la metodología experimental.

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26

ETAPA I

2.1 Síntesis y Caracterización

2.1.1 Reactivos, disolventes y equipos

Para la preparación del agente de condensación conocido como reactivo de Eaton

se emplearon: ácido metanosulfónico (CH3SO3H, 99%) y pentóxido de fósforo

(P2O5, 99%), ambos provistos por Sigma Aldrich.

En la síntesis de los polibenzimidazoles se emplearon los siguientes reactivos: ácido

adípico (HOOC(CH2)4COOH, 99%), ácido 4,4´-oxibis(benzoico) (O(C6H4CO2H)2,

99%), ácido tereftálico (C6H4-1,4-(CO2H)2, 98%) y 3, 3´-diaminobencidina

((NH2)2C6H3C6H3(NH2)2, 99%), también provistos por Sigma-Aldrich.

Para la síntesis del ácido 2-butoxi-tereftálico se utilizaron: 2,5-dimetilfenol

((CH3)2C6H3OH, 99%), 1-bromobutano (C4H9Br, 99%), carbonato de potasio

(K2CO3), piridina (C5H5N, 99%), permanganato de potasio (KMnO4, 97%),

bicarbonato de sodio (NaHCO3, 99.7%) y ácido clorhídrico (HCl), los cuales fueron

suministrados por Sigma Aldrich.

Los disolventes: cloroformo (CHCl3), N, N-dimetilacetamida (C4H9NO), N-metil-2-

pirrolidona (C5H9NO), dimetilsulfóxido (C2H6OS), ácido sulfúrico (H2SO4), acetona

(C3H6O) y hexano (C6H14), se utilizaron sin previa purificación.

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27

2.1.2 Preparación de reactivo de Eaton

Como se mencionó en la sección de antecedentes, este reactivo se utiliza en las

reacciones de policondensación como agente de condensación y disolvente para la

síntesis de PBI. Para su preparación se requiere de pentóxido de fósforo (1) y ácido

metanosulfónico (2), los cuales se agregan en una relación en peso 1:10,

respectivamente.

Procedimiento:

1. Un matraz de fondo redondo de 50 ml previamente secado a 120°C por 8 h

y provisto de un agitador magnético y una septa, fue purgado a vacío y

llenado con nitrógeno.

2. Posteriormente, haciendo uso de una bolsa de guantes en atmósfera inerte

se llevó a cabo el vaciado de los reactivos.

3. En el matraz se agregó una cierta cantidad del pentóxido de fósforo.

4. Después se agregó el volumen requerido de ácido metanosulfónico para

satisfacer la relación 1:10 en peso con respecto al pentóxido de fósforo.

5. Finalmente se dejó en agitación a temperatura ambiente y atmósfera inerte

hasta la completa disolución del pentóxido de fósforo.

+ O P

OH

OH

O P

OH

O

O S

O

O

CH3P

O

O

O

P

O

O

S

O

OH

O

CH3

(1) Pentóxido de fosfóro (2) Ác. Metanosulfónico Reactivo de Eaton

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28

2.1.3 Síntesis de polibenzimidazoles (PBIs)

La síntesis de los polibenzimidazoles se llevó a cabo por policondensación directa

en atmósfera inerte a partir de la 3,3-diaminobencidina y diferentes diácidos

carboxílicos (Figura 2.2), empleando el reactivo de Eaton como agente de

condensación y disolvente, el cual deber ser de reciente preparación ya que se

encontró que el periodo de almacenaje del reactivo de Eaton previo al uso puede

afectar la reproducibilidad de la síntesis de los polibenzimidazoles. Estas reacciones

se realizaron a una temperatura constante de 140°C y a diferentes tiempos de

reacción los cuales fueron elegidos con base a la literatura que se encuentra

reportada para cada diácido carboxílico utilizado, a excepción del nuevo polímero

sintetizado a partir del ácido 2-butoxi-tereftalico que no se encuentra reportado.

Figura 2.2 Diácidos carboxílicos empleados para la síntesis de los

polibenzimidazoles.

OHOH

OO

O

OH

O O

OH

OH

O

OH

O

(a) Ácido Tereftálico (TPA) (b) Ácido 4,4-Oxibis-benzoico (OBA)

(d) Ácido 2-butoxi-tereftálico (BTPA)(c) Ácido Adípico (AA)

O CH3

O

OH

O

OH

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29

Procedimiento:

1. Un matraz schlenck de 100 ml previamente secado a 120°C por 8 h provisto

de un agitador magnético fue purgado y llenado con nitrógeno.

Posteriormente, se agregó el diácido carboxílico y la DAB en cantidades

equimolares y se purgó con nitrógeno durante 30 min.

2. Pasado este tiempo, se agregó el reactivo de Eaton mediante una jeringa con

llave de paso. Cabe señalar que la suma de ambos monómeros representa

un 7% en peso y el 93% en peso restante corresponde a la cantidad de

reactivo de Eaton requerido para la reacción.

3. Enseguida una trampa de humedad con CaCl2 se le colocó al matraz y luego

se sumergió en un baño de aceite a una temperatura constante de 140°C con

agitación magnética durante el tiempo de reacción deseado (1-24h).

4. Pasado el tiempo de reacción evaluado, el matraz se retiró del baño de

aceite, se dejó que alcanzara la temperatura ambiente y el producto

sintetizado se precipitó en 300 ml de agua desionizada en agitación.

Posteriormente se filtró y se lavó con una solución de bicarbonato de sodio

al 3% y luego se lavó con agua desionizada hasta llegar a un pH neutro. Por

último, el polímero se secó en estufa a 80°C y vacío por 24 h.

Figura 2.3 Representación esquemática de la reacción de síntesis de los

PBI.

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30

Los polibenzimidazoles obtenidos fueron caracterizados por RMN 1H, FT-IR, TGA y

viscosidad inherente.

Figura 2.4 Esquema general para la síntesis de los polibenzimidazoles.

Como se mencionó anteriormente, en este trabajo de tesis se sintetizaron cuatro

polibenzimidazoles diferentes a partir de cuatro diácidos carboxílicos (Figura 2.4),

de los cuales tres de ellos son comerciales (a, b y c), mientras que el cuarto diácido

llamado ácido 2-butoxi-tereftálico (d) fue sintetizado siguiendo una ruta de 2 fases

que involucró primeramente una reacción de Williamson y luego una reacción de

oxidación para la obtención de los grupos funcionales COOH. Este monómero fue

utilizado por primera vez para la síntesis de un polibenzimidazol y a continuación se

describe el procedimiento para su preparación.

ROH OH

O O NH

N

NH

N

R

+

R=

O O CH3

T= 140°C

t= 1 - 24 h

NH2

NH2

NH2

NH2

Solv = React. Eaton

TPA OBA BTPA AA

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31

2.1.4 Síntesis de Ácido 2-Butoxi-tereftálico

La síntesis de este ácido carboxílico se ha dividió en dos fases: (1) Obtención del

precursor 1-butoxi-2,5-dimetilbenceno mediante una reacción de química orgánica

conocida como reacción de Williamson, que involucra una sustitución nucleofílica

SN2 por la cual se forma un éter a partir de un halogenuro de alquilo y un alcohol.

(2). Mediante una reacción de oxidación del precursor con permanganato de potasio

se obtiene el monómero portador de los grupos diácidos carboxílico. En la Figura

2.5 se representa la ruta de síntesis de este diácido carboxílico.

A continuación, se describe la metodología experimental seguida en la fase (1) para

la síntesis del precursor y la fase (2) para la obtención del ácido 2 -butoxi-tereftálico

Fase 1:

1. En un sistema que constó de un matraz de tres bocas, agitador magnético,

condensador y trampa de humedad con CaCl2 se agregaron 10 g (81.9 mmol)

de 2,5 dimetilfenol y 167 ml (2250 mmol) de acetona. La mezcla se dejó en

agitación magnética a temperatura ambiente.

2. Una vez disuelto el dimetilfenol en la acetona, se agregaron 16.96 g (122.7

mmol) de K2CO3 manteniéndose en agitación magnética durante 4 h.

3. Posteriormente, el medio de reacción se calentó a 60 °C y se mantuvo a

reflujo.

4. Finalmente, se añadieron 13.25 ml (123.4 mmol) de bromobutano gota a gota

con una jeringa.

Figura 2.5 Ruta de síntesis para obtener el diácido carboxílico.

+ Br CH3

KMnO4

(1) (2)2,5-dimetil fenol 1-bromo butano

O CH3

CH3

CH3

OH

CH3

CH3

O CH3

COOH

HOOC

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5. La mezcla se dejó reaccionar durante 48h bajo reflujo y agitación magnética

y fue monitoreada por cromatografía en placa fina.

6. Transcurridas las horas de reacción se dejó enfriar, se filtró para retirar las

sales obtenidas como subproducto que se lavaron con 300 ml de cloroformo.

Enseguida se procedió a rotavaporar para retirar el cloroformo.

7. El producto se purificó por cromatografía en columna empacada con sílica

empleando una mezcla CHCl3: Hexanos 3:1 como eluente.

8. Por último, el producto se secó en estufa a 80°C durante 24 h, y se

caracterizó por RMN 1H en CHCl3-D6.

Fase 2

El precursor obtenido en la fase 1 fue oxidado con permanganato de potasio

siguiendo el procedimiento que a continuación se describe:

1. En un matraz bola de dos bocas de 250 ml provisto de un agitador magnético

y un condensador se colocaron 18.61 g (117.8 mmol) de KMnO4 y se

agregaron 28.33 ml (151.7 mmol) de piridina.

Figura 2.6. Esquema del sistema de reacción para la obtención del 1-butoxi-

2,5-dimetilbenceno.

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33

2. Posteriormente, se agregaron 13 ml (719.4 mmol) de agua desionizada y se

calentó a 80°C durante 20min.

3. Enseguida, se añadieron 3.1232 g (17.52 mmol) del precursor 1-butoxi-2,5-

dimetilbenceno, la mezcla de reacción se mantuvo a reflujo y bajo agitación

magnética.

4. Después de 48 h de reacción, se agregaron 17.34 ml (428.6 mmol) de

metanol para desactivar los restos de KMnO4 que no hubieran reaccionado.

5. Se procedió a filtrar el crudo de reacción y el filtrado se lavó con

aproximadamente 250 ml de agua desionizada tibia. Al finalizar el lavado se

rotavaporó para eliminar la piridina.

6. A la solución obtenida (color amarillo) se le agregó gota a gota HCl

concentrado hasta alcanzar un pH de 1 observándose la formación de un

precipitado color blanco.

7. Nuevamente se filtró y se lavó el precipitado con agua desionizada para

eliminar el exceso de HCl, y se dejó secar a temperatura ambiente. A

continuación, el producto se disolvió en 300 ml de una solución de NaHCO3

al 3%, se agregó 3 g de carbón activado y se dejó en agitación durante 30

min.

8. La disolución se filtró, se lavó con agua desionizada y se secó en estufa a

40°C durante 24 h. Este producto se caracterizó por RMN 1H en DMSO-d6.

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34

2.1.5 Técnicas de caracterización

A continuación, se describe brevemente cada una de las técnicas de caracterización

utilizadas durante la investigación.

Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Es una herramienta analítica no destructiva que proporciona información estructural

y estereoquímica de cualquier sustancia química en estado líquido o sólido que

contenga núcleos con espines nucleares, cuyo fundamento se basa en la absorción

de energía por un núcleo magnético activo. Los espectrómetros de RMN están

diseñados para irradiar con energía electromagnética de frecuencia constante un

compuesto, mientras que se varia la fuerza del campo magnético, cuanto este

campo magnético alcanza una determinada fuerza los núcleos absorben energía y

se produce una resonancia que genera una corriente eléctrica, el instrumento

amplifica esta corriente y la representa como un conjunto de señales.

Para este trabajo de investigación los ensayos se realizaron en soluciones que

contienen 15 mg de compuesto en 700 µl de disolvente deuterado, en el equipo de

RMN Bruker modelo Ascend TM 400.

Espectroscopía Infrarroja (FTIR)

Esta técnica se emplea en la caracterización de diferentes compuestos para

identificar los grupos funcionales presentes, a través del análisis de las

interacciones existentes entre los niveles de energía vibracional de los enlaces

covalentes y la radiación infrarroja. Cuando los rayos infrarrojos atraviesan un

compuesto, parte de esta radiación se transmite y el resto es absorbida, al tener

cada molécula o grupo funcional una absorción característica, es posible registrar

el porcentaje de radiación transmitida en función de la longitud de onda o la

frecuencia, e identificar así los grupos funcionales característicos de cada

compuesto. Para llevar a cabo este análisis se utilizó un espectrofotómetro de

infrarrojo Nicolet iS50 FT-IR marca THERMO SCIENTFIC en modo transmisión, se

mezcló 1 mg del compuesto a analizar con aproximadamente 100 mg de bromuro

de potasio (KBr) pulverizado, posteriormente se formó una pastilla transparente

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35

utilizando una mini prensa. Las condiciones de análisis fueron 25 scans con una

resolución de 4cm-1 en un intervalo de 400 a 4000cm-1.

Análisis Termogravimétrico (TGA)

La termogravimetría es una técnica que mide la variación de la masa de una

muestra en función de la temperatura y/o del tiempo en una atmósfera controlada.

La medición de estos cambios de masa permite determinar las condiciones de

estabilidad y degradación térmica de los materiales analizados. Esta técnica puede,

por tanto, caracterizar materiales que presentan pérdida o ganancia de peso debido

a la descomposición, oxidación o deshidratación.

La estabilidad térmica de los polibenzimidazoles fue determinada en un equipo TGA

Q500 TA Instruments con aproximadamente 5-10 mg de muestra, que fueron

evaluados en un intervalo de temperatura de 50-600°C en atmósfera de nitrógeno y

hasta 800°C en atmósfera de oxígeno, con rampa de calentamiento de 10°C/min.

Viscosidad inherente

La viscosidad inherente (ηinh) es una propiedad de los fluidos líquidos y/o gaseosos,

y se define como la relación del logaritmo natural de la viscosidad relativa y la

concentración C (Ecuación 1). El método más sencillo para medir esta viscosidad

es mediante un viscosímetro Ubbelohde, en donde se mide el tiempo que tarda en

pasar un flujo de un volumen dado y concentración conocida a través de un capilar

por gravedad (A-B) (ver Figura 2.7).

Para la determinación de la ηinh de los polibenzimidazoles se preparó una solución

polimérica de 0.5 g/dL en DMAc, que se añadió al viscosímetro. Posteriormente se

sumergió en un baño con agua a una temperatura controlada de 30° C. Mediante

el uso de la siguiente ecuación se determinó la ηinh:

ηinh = 𝐼𝑛

𝑡𝑡𝑜

𝐶

Donde t es el tiempo de fluidez de la solución polimérica, to es el tiempo de fluidez

del disolvente y C es la concentración de 0.5 g/dL.

Ecuación 1

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36

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

Este equipo compuesto por un sistema óptico-electrónico produce un haz de luz de

electrones que barre la superficie de una muestra punto a punto, genera una

caracterización superficial no destructiva que brinda información sobre la morfología

de la muestra. A partir de la interacción del haz con la muestra se genera una señal

que es colectada y procesada para generar una imagen.

Para analizar la morfología de las membranas de polibenzimidazol por esta técnica,

se realizó una fractura transversal en la membrana polimérica con nitrógeno líquido,

posteriormente, la muestra se recubrió con una capa de un metal conductor y se

analizó con un equipo SEM de la marca JEOL modelo JSM 7401F de alta

resolución.

Figura 2.7 Sistema de medición de viscosidad inherente.

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37

ETAPA II

2.2 Preparación de membranas poliméricas

Esta segunda etapa de la investigación corresponde a la preparación de

membranas poliméricas densas a base de polibenzimidazoles sintetizados en este

trabajo de tesis. Para esto fue necesario realizar previamente ensayos de

solubilidad probando diferentes disolventes polares, que permitiera la solubilización

del polímero y posteriormente llevar a cabo la purificación para remover la fracción

insoluble y preparar las membranas.

2.2.1 Pruebas de solubilidad

Para determinar la solubilidad de los polibenzimidazoles se agregaron 5 mg de

polímero en 1 mL de disolvente con agitación a temperatura ambiente y

posteriormente aplicando calentamiento a 80°C durante 12 h. Los disolventes que

se ensayaron fueron: NMP, DMAc, DMSO y H2SO4.

2.2.2 Purificación del polímero

Para llevar a cabo la purificación de los PBI fue necesario preparar una solución de

polímero 5% (m/v) en DMAc con calentamiento a 80°C y agitación durante 24 h.

Posteriormente, la fracción insoluble se separó por medio de centrifugación. La

solución resultante se precipitó en metanol, se filtró y se lavó con agua desionizada,

para después secarse en estufa de vacío a 120°C durante 24 h.

2.2.3 Obtención de Membranas

La elaboración de las membranas se realizó a partir de los polímeros purificados

según lo descrito en la sección anterior, utilizando el método de casting también

conocido como vaciado en placa. Con este fin se llevó a cabo el siguiente

procedimiento:

1. En un vial se preparó una solución de PBI en DMAc al 5% (m/v)

aproximadamente, la cual se calentó a 80°C y se dejó en agitación durante

24h.

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38

2. Transcurrido este tiempo, la solución fue centrifugada durante 15 min a 3000

rpm, para separar el material que no se hubiera solubilizado y que pudiera

causar defectos en la membrana y a su vez afectar su desempeño.

3. La solución resultante del centrifugado se vacío en un molde de vidrio

cubierto con un embudo invertido para evitar la contaminación. Después, el

molde se colocó en una estufa a 60°C y vacío para extraer el disolvente.

(Figura 2.8).

4. Este tratamiento se realizó por aproximadamente 6 h. Luego, la membrana

se desmoldo y se sometió a un secado en estufa de vacío con rampa de

calentamiento hasta 230 °C por aproximadamente 48 h para la eliminación

del disolvente residual.

Las membranas obtenidas se caracterizaron por microscopía electrónica de barrido

(SEM).

Figura 2.8 (1) Preparación de solución polimérica, (2) centrifugado de solución

polimérica y (3) casting de solución para formar la película.

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39

ETAPA III

2.3 Ensayos de permeabilidad

Para esta tercera etapa de la fase experimental, las membranas que mostraron

mayor uniformidad y flexibilidad, fueron ensayadas para estudiar su capacidad para

separar una mezcla gaseosa que contiene CH4, CO2 y N2 en una composición

85/5/10% mol. Adicionalmente se realizaron ensayos en gases puros como son: H2,

N2 y CO2, ambos ensayos fueron realizados a una temperatura de 35°C y presión

variable de 50 y 150 psi. Previo a la evaluación se midió el espesor en cinco puntos

de la membrana empleando un espesímetro digital marca Mitutoyo.

2.3.1 Mezcla ternaria de gases

Estas pruebas se realizaron en un dispositivo de pruebas de permeabilidad de

membranas de diseño único en México, fabricado en Det Norske Veritas (DNV),

Dublín Ohio EUA por Conchita Méndez y José Arnaldo Salazar. El cual consiste en

una celda de acero inoxidable que cuenta con una cámara de alta presión (I) y una

cámara de baja presión (II), las cuales se encuentran divididas por un soporte

cerámico. Este dispositivo está conectado en la cámara de alta presión a una línea

de alimentación de gas y en la cámara de baja presión cuenta con una línea de

entrada de gas de arrastre (He) y una de salida del gas permeado durante la prueba.

Esta celda también cuenta con medidores y controladores de presión, flujo y

temperatura en ambas cámaras (Figura 2.9). La permeabilidad de cada uno de los

gases y la selectividad de la separación se calcularon a partir de los datos de

concentración obtenidos por el cromatógrafo de gases al analizar la corriente

permeada.

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40

Figura 2.9 Diagrama que muestra los componentes de la celda de permeabilidad

[4].

Las evaluaciones se realizaron a una temperatura controlada en el interior de la

celda de 35°C, ensayándose a dos diferentes presiones 50 y 150 psi, estas

presiones fueron seleccionadas basándose en la literatura referente a membranas

para la separación de gases. Para llevar a cabo el ensayo con la mezcla de gases,

la membrana se instaló en el centro de una de las cámaras de la celda y en la

opuesta se colocó un disco cerámico poroso que sirve como soporte, tal y como se

muestra en la Figura 2.10.

Figura 2.10 Instalación de la membrana en la celda.

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41

Después de instalar la membrana, la celda se selló con ayuda de unos tornillos y

aplicando un torque de 10Nm y así evitar fugas. Posteriormente, se instalaron los

dispositivos de control de flujo, presión y temperatura (Figura 2.11) y se procedió a

realizar pruebas de fugas con He a 50 psi durante 24 h.

Transcurrido el tiempo, se procedió a realizar el análisis de la línea base donde se

alimentó He a 50 psi durante 24 h, que permite el desplazamiento de aire que haya

quedado en el dispositivo. Una vez que se alcanzaron los niveles mínimos de CO2

y N2 preestablecidos para la operación de este dispositivo, se procedió al análisis

de permeación de mezcla de gases en la membrana. Para ello, se realizaron

ensayos a 50 y 150 psi a partir de los cuales se recolectaron automáticamente 300

muestras de la cámara de baja presión durante 24 h aproximadamente que fueron

analizadas por cromatografía de gases. Los controlados al igual que las condiciones

dentro de la celda fueron monitoreadas por el software Labview. Terminado el

periodo de análisis, la alimentación de la mezcla de gases se cerró y el dispositivo

se limpió mediante la alimentación de N2.

Figura 2.11 Instalación de la celda de permeabilidad.

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42

La permeabilidad de cada uno de los gases y la selectividad fueron calculados a

partir de los datos de concentración obtenidos de los análisis por cromatografía de

gases, utilizando las siguientes expresiones matemáticas.

La permeabilidad de un gas está dada por:

donde P es el coeficiente de permeabilidad en barrer 10-10 (cm3 (STP)/cm cmHg

seg), δ es el espesor de membrana (cm), J se refiere al flujo de permeado (cm3/s),

A es atribuido al área de la membrana (cm2), p1 y p0 se refieren a la presión parcial

en la cámara de alimentación (de alta presión) y la cámara de permeado (de baja

presión) (cm Hg), respectivamente.

Por otro lado, la selectividad ideal para una mezcla de gases esta descrita por:

𝑆 =𝑃𝑥

𝑃𝑦

donde Px es la permeabilidad del gas que permea en mayor medida y Py

corresponde a la permeabilidad del gas que permea en menor medida.

2.3.2 Ensayos de permeabilidad con gases puros

La evaluación de las propiedades de transporte de gases puros de las membranas

se realizó gracias a una estancia de investigación en el laboratorio de membranas

del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY). Los ensayos se realizaron

en una celda de permeación, la cual consiste en una celda de presión variable y

volumen constante, que cuenta con una entrada de alimentación de gas (aguas

arriba) que mantiene una presión constante durante el proceso de medición y una

salida de gas permeando (aguas abajo) que está conectada a un transductor que

mide la presión que va cambiando durante el proceso y este transductor se

encuentra controlado por el software Labview para la recolección de datos, también

cuenta con válvulas de seguridad y vacío (Figura 2.12). En esta celda se evaluaron

𝑃 =𝛿 𝐽

𝐴(𝑝1 − 𝑝0)

Ecuación 2

Ecuación 3

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43

individualmente los gases hidrógeno (H2), nitrógeno (N2) y dióxido de carbono (CO2)

(pureza del 99.99%) en el orden descrito. Las pruebas se llevaron a cabo primero a

50 psi y luego a 150 psi a una temperatura controlada de 35°C, mediante el método

de volumen constante/presión variable.

Inicialmente, el espesor de la membrana fue medido y posteriormente la membrana

se adhirió a la celda con ayuda de una cinta metálica de aluminio (Figura 2.13), en

la cual se dejó libre una determinada área de la membrana sobre la cual se llevará

a cabo el ensayo.

Figura 2.13 Membrana soportada con cinta de aluminio.

Figura 2.12 Componentes de la celda de permeación de gases puros.

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44

Una vez montada la membrana se procedió a evacuar la celda de permeación

realizando vacío durante 24 h para eliminar gas o disolvente remanente de pruebas

anteriores. Pasado ese tiempo, se evaluó la línea base que consiste en aislar el

volumen aguas abajo y monitorear durante 2 h el cambio de presión en dicho

volumen sin aplicar ningún flujo de gas, esta línea base funciona como un factor de

corrección para los futuros datos obtenidos en las pruebas con gases puros.

Posteriormente, la celda fue nuevamente evacuada por aproximadamente 1 h, y

luego se procedió a evaluar el primer gas, para ello la membrana fue sometida a un

flujo de gas que permeó a través de ella desde aguas arriba hacia el lado donde se

genera menor presión (aguas abajo), este volumen de permeado se monitoreó a

partir del cambio de presión en función del tiempo hasta alcanzar el estado

estacionario, que es cuando existe una relación constante entre la presión y el

tiempo, y para finalizar los datos fueron recolectados por medio del software.

En esta celda la relación de incremento de presión con respecto al tiempo (dp/dt),

permite determinar el coeficiente de permeabilidad (P), el cual se calculó con la

siguiente expresión matemática.

𝑃 =𝑉𝑙𝑅𝑁

𝐴𝑅𝑇∆𝑃 [

𝑑𝑝

𝑑𝑡]

donde P es el coeficiente de permeabilidad en barrer 10-10 (cm3 (STP)/cm cmHg

seg), V es el volumen de la celda aguas abajo (cm3), 𝑙 es el espesor de la membrana

(cm), RN se refiere al volumen ocupado por una mol de gas ideal en condiciones

estándar de presión y temperatura (cm3/mol) (STP), A es el área efectiva de la

membrana donde se realizó la prueba (cm2), R la constante de los gases ideales

(cm3.mmHg/ K.mol), T es la temperatura de operación (K), ΔP es la presión obtenida

al término de la prueba (cmHg) y dp/dt (mmHg/seg) es el valor de la regresión lineal

obtenida de los datos del gas y que previamente se corrigen con el valor de la

regresión lineal de la línea base.

El coeficiente de difusión (D) fue calculado con la siguiente ecuación:

𝐷 =𝑙2

6𝜃

Ecuación 4

Ecuación 5

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45

Donde 𝑙 (cm) es el espesor de la membrana y 𝜃 (seg) se refiere al “tiempo de

retardo” que es cuando la presión en aguas abajo se mantiene constante, esto es

apreciable al inicio de la evaluación.

Para obtener el coeficiente de solubilidad (S), es necesario establecer una relación

entre la P y la D.

𝑆 =𝑃

𝐷

Ecuación 6

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46

CAPÍTULO III

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En este capítulo se muestran y discuten los resultados de la obtención de los PBI

sintetizados en este trabajo de investigación, su comportamiento térmico, los

ensayos de solubilidad y procesamiento en película para la formación de

membranas, los resultados del desempeño de las membranas en la separación de

gases en mezcla ternaria CH4/CO2/N2 y algunos ensayos preliminares de

permeabilidad a gases puros.

ETAPA I

3.1 Síntesis de polibenzimidazoles

Como se describió en la sección 2.1.3 los polibenzimidazoles fueron sintetizados a

partir de una reacción de condensación entre la 3,3´-diaminobencidina (DAB) y un

diácido carboxílico a 140°C en presencia de un agente de condensación conocido

como reactivo de Eaton, el cual fue preparado a partir de pentóxido de fósforo y

ácido metanosulfónico en una relación en peso 1:10, respectivamente. El tiempo de

reacción fue una de las variables experimentales evaluadas durante la síntesis de

los PBI, con la finalidad de estudiar su efecto sobre la viscosidad y por consecuencia

en el peso molecular del polímero, lo cual podría influir en la preparación y

desempeño de las membranas.

La serie completa de los PBI sintetizados en este trabajo de investigación a

diferentes tiempos de reacción se muestra en la Tabla 3.1, los cuales fueron

seleccionados basándose en estudios realizados anteriormente por el equipo de

trabajo que a su vez se basaron en la literatura reportada para polibenzimidazoles.

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47

Cabe señalar que para fines prácticos se ha asignado una nomenclatura específica

a cada polímero en función del diácido carboxílico que fue empleado para su

síntesis. En el anexo A se presenta información adicional sobre la caracterización

fisicoquímica de los PBI.

-PBI a partir de ácido adípico (PBI-AA) -PBI a partir de ácido tereftálico (PBI-TPA) -PBI a partir de ácido 4,4’-oxibis(benzoico) (PBI-OBA)

-PBI a partir de ácido 2-butoxi-tereftálico (PBI-BTPA)

De acuerdo a la literatura la formación del grupo benzimidazol se lleva a cabo por

un consumo rápido de 3,3-diaminobencidina para formar un intermediario de tipo

aldol (I) que se deshidrata para dar el nuevo intermediario (II) que tiene una

estructura de tipo base de Schiff (Figura 3.1) [63].

Polímero t(h) Polímero t(h) Polímero t(h) Polímero t(h)

PBI-AA-001 3 PBI-TPA-001 3.5 PBI-OBA-001 0.5 PBI-BTPA-001 0.5

PBI-AA-002 5 PBI-TPA-002 5 PBI-OBA-002 1 PBI-BTPA-002 1

PBI-AA-003 7 PBI-TPA-003 9 PBI-OBA-003 2 PBI-BTPA-003 2.5

PBI-AA-004 9 PBI-TPA-004 12 PBI-OBA-004 3 PBI-BTPA-004 10

PBI-AA-005 12 PBI-TPA-005 15 PBI-OBA-005 4

PBI-AA-006 14 PBI-TPA-006 18

PBI-AA-007 15 PBI-TPA-007 21

PBI-AA-008 16 PBI-TPA-008 24

Tabla 3.1. Series de PBI sintetizados.

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48

Figura 3.1 Mecanismo de reacción para la formación del grupo benzimidazol.

3.1.1 Síntesis de PBI-AA a partir de ácido adípico.

Esta síntesis se realizó mediante la policondensación de 3,3-diaminobencidina

(DAB) y ácido adípico (AA) (Figura 3.2).

n

NH

N

NH

N

NH2

NH2

NH2

NH2+

OH

O

OH

O

DAB Ác. Adípico PBI-AA

140 °C

Figura 3.2 Síntesis de polibenzimidazol a partir de 3,3-diaminobencidina y ácido adípico.

NH2

NH2

+O

OHR.. NH2

+

NH2

R OH

O-

NH

NH2

R OH

OH

(I)

N

NH2

R

OH

-H2O

-H2O

N

NH

R(II)

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49

Resonancia magnética nuclear

Los polímeros obtenidos fueron caracterizados por RMN de 1H usando DMSO-D6

como disolvente. Los polímeros obtenidos a partir de ácido adípico que fueron

solubles en DMSO-D6 fueron los obtenidos a 3,5,7,9 y 12 h de reacción, el resto

de los polímeros obtenidos a 14, 15 y 16 h fueron polímeros gelificados, esto

posiblemente se debió a que durante la síntesis ocurrió un aumento rápido de la

viscosidad producto de las reacciones de acilación lateral que conducen a la

formación de macromoléculas ramificadas [84]. En la Figura 3.3 se muestran los

espectros junto con la estructura química del polímero y su respectiva asignación

de señales. De acuerdo a lo reportado en la literatura el desplazamiento químico del

protón de imidazol N-H (a) se logra apreciar en forma de singulete ancho entre

δ12.25-13.63 ppm [10], [80], [85], esta señal característica solo se observó en el

polímero sintetizado a 5 h de reacción, mientras que para el resto de los PBI

obtenidos a otros tiempos de reacción no se logró observar esta señal, esto puede

deberse a que a 3 h de reacción el grupo imidazol está en muy baja proporción, a

diferencia del obtenido a las 5 h de reacción. Mientras que, a mayores tiempos, las

señales tienden a ensancharse, haciendo menos perceptible la señal N-H del grupo

imidazol. En la región de los aromáticos, los protones del benzimidazol (b, c y d) se

encuentran en un desplazamiento entre δ 7.5-7.8 ppm, y los protones

correspondientes a la cadena alquílica, señalados con la letra (e) y (f) se pueden

ubicar a frecuencias bajas en un desplazamiento entre δ 2.3 y 3 ppm. La señal

perteneciente a la fracción de disolvente no deuterado se ubica en un

desplazamiento de δ 2.5 ppm y por último la señal amplia encontrada entre de δ 3.5

y 4.5 corresponde a la presencia de agua en el disolvente.

Estos espectros permiten comprobar que se pudo obtener un polibenzimidazol

sintetizado a partir de DAB y ácido adípico a un tiempo de reacción de 5 h.

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50

Espectroscopía Infrarroja

En los espectros que se muestran a continuación en la Figura 3.4 que corresponden

a los polibenzimidazoles sintetizados con ácido adípico a diferentes tiempos de

reacción, se puede observar una banda de flexión fuera del plano C-H de los tres

hidrógenos de los anillos benceno a 800 cm-1 (5), también se logran observar las

bandas a 1444 -1477 cm-1 de las vibraciones en el plano del anillo de benzimidazol

2,6 disustituido (4) [80], [86]. La región que va de 1500-1650 cm-1 presenta bandas

Figura 3.3 Espectros de RMN de 1H en DMSO-D6 de PBI sintetizados a partir de ácido

adípico y DAB a distintos tiempos de reacción.

DMSO

H2O

DM SO

H2O

H2O

H2O

H2O

DM SO

DM SO

DMSO

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51

características de los benzimidazoles correspondientes a los estiramientos C=C y

C=N en los anillos aromáticos (3). Las vibraciones de C-H de los grupos metileno

de la cadena alquílica del polímero, se pueden apreciar con las bandas de 2950-

2850 cm-1 (2) [87]. La banda a 3410 cm-1 es típica del estiramiento del enlace N-H

(1) del anillo imidazol [10], [12], [57]. En los espectros de polibenzimidazol se puede

encontrar una pequeña banda a 3598-3628 cm-1 que puede atribuirse al

estiramiento O-H del agua absorbida, esta banda también fue observada por Brooks

y col. [88] y Li y col. [89] y se determinó que se puede eliminar por calentamiento a

120°C. Gracias a esta caracterización se pudo comprobar que a los diferentes

tiempos de reacción probados se obtuvieron los polibenzimidazoles a partir del

ácido adípico y se pudo complementar los resultados obtenidos por RMN de 1H.

Grupo

Funcional Núm. de

onda (cm-1)

(1) N-H 3410-3050

(2) -CH2- 2950-2850

(3) C=C, C=N 1500-1650

(4) Sust. 2,6 del anillo

1444-1477

(5) Anillo PBI 800

n

NH

N

NH

N

PBI-AA

Figura 3.4 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados a

partir de ácido adípico a distintos tiempos de reacción.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

e)

Numero de onda cm-1

(1) (2)(3)

(4) (5)

d)

Tra

nsm

itanci

a (

u.a

)

a)

c)

b)

12 h

9 h

5 h

7 h

3 h

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52

Análisis termogravimétrico

El análisis termogravimétrico (Figura 3.5) reveló que todos los polibenzimidazoles

derivados del ácido adípico y DBA presentaron una perdida inicial por debajo de

200°C, atribuible a la evaporación del agua absorbida en el polímero debido a

posibles interacciones de puente de hidrógeno con los grupos imidazol. [90].

También se observa que entre 250-300°C se presenta una pérdida que corresponde

al rompimiento de las cadenas alifáticas presentes en la estructura del

polibenzimidazol, y por último alrededor de 470°C se observa una pérdida que

concierne a la temperatura inicial de descomposición (TID) del polímero. El polímero

sintetizado a 5 h fue el que presentó mayor estabilidad térmica, con una TID cercana

a 500 °C.

Figura 3.5 Termograma de polibenzimidazoles sintetizados a partir de ácido

adípico. TPH20: Temperatura de pérdida de agua. TPCA: Temperatura de perdida

de cadena alifática. TID: Temperatura inicial de descomposición.

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53

3.1.2 Síntesis de PBI-TPA a partir de ácido tereftálico

En la síntesis de este polibenzimidazol se utilizó la 3,3 diaminobencidina (DAB) y el

ácido tereftálico (TPA), cuyas estructuras químicas se representan en el esquema

de la Figura 3.6

.

Resonancia magnética nuclear

Esta serie de polímeros también fueron caracterizados por RMN de 1H y en la Figura

3.7 se presentan los espectros obtenidos de los polímeros que fueron solubles en

el DMSO-D6. Los sintetizados a 18 y 24 h no fueron caracterizados por esta técnica,

por su baja solubilidad debido a la gelificación que presentaron. En los espectros se

puede apreciar la señal característica del protón de imidazol en forma de singulete

ancho en un desplazamiento de aproximadamente δ 13.6 ppm para el caso de los

polímeros sintetizados a 5, 9 y 12 h, para los sintetizados a 3.5 y 15 h se observa la

señal de N-H a un desplazamiento por arriba de δ 14.5 ppm, que de acuerdo a

Sannigrahi y col.[91] la señal de protón imino de PBI en DMSO-D6 se puede

desplazar gradualmente hacia campo bajo debido al aumento de la concentración

de la solución, lo que se asocia a la interrupción de interacciones intermoleculares

como la formación de enlaces de hidrógeno y la formación de una conformación

más compacta de la cadena de polímero. La señal de triplete que se ubica en un

desplazamiento de δ 7.5 a 8 ppm y que integran para tres protones corresponde a

los protones aromáticos del benzimidazol (c, d y e) los cuales se aprecian bien

definidos en los PBI obtenidos a los diferentes tiempos de reacción. Los protones

aromáticos del anillo bencénico proveniente del ácido tereftálico (b) se pueden

NH2

NH2

NH2

NH2+

DAB Ác. Tereftálico PBI-TPA

OHOH

OO140°C N

H

N

NH

N

n

Figura 3.6 Síntesis de polibenzimidazol a partir de 3,3´diaminobencidina y ácido

tereftálico.

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54

encontrar en forma de singulete en δ 8.5 ppm, esto debido a que son protones con

equivalencia química. Los resultados de estos espectros coinciden con lo reportado

en la literatura [80], [92].

Espectroscopía Infrarroja

Los resultados de la caracterización por FTIR de los PBI obtenidos de la

policondensación de DBA y ácido tereftálico se ilustran en la Figura 3.8, donde se

observa a 800 cm-1 aproximadamente, es una banda que corresponde a la vibración

del anillo heterocíclico fuera del plano C-H en anillos de benceno sustituidos (4). La

Figura 3.7 Espectros de RMN de 1H en DMSO-D6 de PBI sintetizados a partir del

ácido tereftálico a diferentes tiempos de reacción.

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55

vibración del anillo en el plano de benzimidazol 2,6 disustituido se ve reflejada en la

banda ubicada a 1444-1477 cm-1 (3), la banda ubicada a 1650 cm-1

aproximadamente y que es característica del estiramiento de los enlaces C=C y

C=N que hay en los anillos aromáticos (2) y por último la banda pronunciada que se

observa a 3410 cm-1 que corresponde al estiramiento del enlace N-H (1) de los

grupos imidazol. Las señales encontradas en los espectros de FTIR comprueban la

formación del polibenzimidazol a los distintos tiempos de reacción estudiados.

Grupo

Funcional Núm. de

onda cm-1

(1) N-H 3410-3050

(2) C=C, C=N 1500-1650

(3) Sust. 2,6 del anillo

1444-1477

(4) Anillo PBI 800

Figura 3.8 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados a

partir del ácido tereftálico a diferentes tiempos de reacción.

NH

N

NH

N

n

PBI-TPA

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

(3)(3)

e) 15 h

(1) (2)(4)

d) 12 h

c) 9 h

b)

5 h

Tra

nsm

itan

cia

(u

.a)

Numero de onda cm-1

3.5 ha)

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56

Análisis termogravimétrico

La estabilidad térmica de esta serie de los polímeros sintetizados a partir de 3,3-

diaminobencidina y ácido tereftálico en PPMA, fue estudiada por análisis

termogravimétrico. En la Figura 3.9 se muestran los resultados de esta

caracterización, para la serie de polímeros, donde se observan dos pérdidas de

peso diferentes, la primera de ellas alrededor de 100-150°C la cual se asigna a la

pérdida de moléculas de agua absorbida y unidas por puentes de hidrógeno. La

segunda pérdida de peso se observa alrededor de 525-600°C que corresponde a la

degradación de la cadena principal del polímero. Cabe señalar que, en comparación

con el polímero sintetizado con ácido adípico esta serie de polímeros presentan una

estabilidad térmica más elevada, lo que indica que la introducción de un grupo p-

fenileno en la estructura mejora la estabilidad térmica del polímero [92] esto

comparado con la introducción de una cadena alquílica, esto se debe a que un grupo

cíclico con enlaces C=C como los presentes en los grupos benceno tienen energía

de enlace mayores (145 Kcal/mol) y son más rígidos que los enlaces C-C presentes

en una cadena alquílica (85 Kcal/mol).

Figura 3.9 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados con ácido tereftálico.

TID: Temperatura inicial de descomposición.

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

rdid

a e

n p

eso

(%

)

Temperatura ( C)

3.5 h 5 h9 h

12 h15 h

NH

N

NH

N

n

Polímero TID (°C)

3.5 h 5 h 9h

12 h 15 h

599 599

598.2 587.8 525.6

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57

Se infiere que la diferencia en la perdida en peso alrededor del 20% de los polímeros

sintetizados a menores tiempo de reacción (3.5 y 5 h) comparado con el resto de

los tiempos se considera que podría estar relacionado con la posibilidad de estar

perdiendo las cadenas cortas y de bajo peso molecular presentes en estos

polímeros. Mientras que para los polímeros sintetizados a más tiempo de reacción

(12 y 15 h) y que mostraron una menor estabilidad térmica, se estima que este

comportamiento podría estar relacionado con que precisamente estos polímeros

fueron sometidos a la remoción de la fracción insoluble antes de realizar el análisis

termogravimétrico que se infiere dejo solamente una fracción de polímero soluble

compuesto por cadenas de bajo peso molecular y por consiguiente genero una

menor estabilidad térmica, cabe recalcar que esta fracción insoluble se debe

principalmente a las reacciones de acilación que son las responsables de la

ramificación y/o entrecruzamiento del polímero, y como es bien sabido un polímero

entrecruzado o ramificado tiende a presentar alta estabilidad térmica.

3.1.3 Síntesis de PBI-OBA a partir de ácido 4,4’-

oxibis(benzoico)

Otro de los polímeros obtenidos en este trabajo de investigación fue el sintetizado

a partir de la 3,3-diaminobencidina y el ácido 4,4-oxi-bis(benzoico), con la finalidad

de estudiar el efecto que causa la presencia de un grupo éter en la cadena principal

del polímero. En la Figura 3.10 se muestra un esquema general de la síntesis de

este polibenzimidazol denotado como PBI-OBA.

NH2

NH2

NH2

NH2

+

DAB Ác. Oxibis-benzoico PBI-OBA

O

OH

O O

OH

140°C

n

NH

N

NH

N

O

Figura 3.10 Síntesis de polibenzimidazol a partir de 3,3-diaminobencidina y ácido

4,4’ oxi-bis(benzoico).

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Resonancia magnética nuclear

Para comprobar que se obtuvo un polibenzimidazol con la estructura propuesta en

la Figura 3.11, se realizaron análisis de RMN de 1H a diferentes tiempos de reacción.

Los espectros de los polímeros obtenidos que fueron solubles y no afectados por

las reacciones de acilación se aprecian en la Figura 3.11 donde se observa que las

asignaciones concuerdan bien con la estructura química anticipada, empezando por

la señal del protón de imidazol (a), el cual se ubica en un desplazamiento químico

de δ13-13.6 ppm, a excepción del polímero sintetizado a un tiempo de reacción de

3 h donde no se logró ubicar esta señal. Lo anterior puede ser debido,

principalmente a la gran proporción de polímero gelificado insoluble lo cual

disminuye la concentración de polímero soluble en la muestra de análisis. Por otra

parte, los protones aromáticos del grupo benzimidazol (c, d y e) se encuentran en

un desplazamiento de δ 7.5 a 8 ppm, mientras que los protones de los anillos

bencénicos provenientes del ácido oxi-bis(benzoico) se ubican en el espectro

asignados como (b) y (f) a δ 8.4 ppm y δ 7.25 ppm, respectivamente, lo que

concuerda con lo reportado en la literatura [93].

Figura 3.11 Espectros de RMN de 1H en DMSO-D6 de los PBI sintetizados a

partir del ácido 4,4’ oxi-bis(benzoico) a diferentes tiempos de reacción.

0.5 h

1 h

2 h

3 h

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Espectroscopía Infrarroja

A continuación, se muestran los resultados de FTIR para la serie de

polibenzimidazoles sintetizados con ácido 4,4-oxi-bis(benzoico) donde se observa

a 800 cm-1 la banda de flexión que caracteriza la presencia de vibraciones fuera del

plano C-H en el anillo de benceno trisustituido del polibenzimidazol (5). En estos

espectros se muestran también una banda pronunciada a 1285 cm-1 característica

del enlace Ar-O-Ar (4) [12], [80], [93]. En estos espectros sigue presente la banda

relacionada a las vibraciones del anillo de benzimidazol 2,6 disustituido a 1444-1477

cm-1 (3), los estiramientos de los enlaces de los grupos C=N y C=C a 1500-1650 cm-

1 (2) y al estiramiento N-H a 3410-3050 cm-1(1). También se aprecia en los espectros

una pequeña banda característica de la presencia de humedad en el polímero, que

se observa a 3598-3628 cm-1 y es atribuible al estiramiento del enlace O-H.

Grupo

Funcional Núm. de

onda cm-1

(1) N-H 3410-3050

(2) C=C, C=N 1500-1650

(3) Sust. 2,6 del anillo

1444-1477

(4) Ar-O-Ar 1285

(5) Anillo PBI 800

Figura 3.12 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados a

partir del ácido 4,4’ oxi-bis(benzoico) a diferentes tiempos de reacción.

n

NH

N

NH

N

O

PBI-OBA

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

(2)

d)

(1) (2)

(5)(4)(3)

c)

Tra

nsm

itancia

(u.a

)

b)

3 h

2 h

1 h

Numero de onda cm-1

0.5 h a)

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60

Análisis termogravimétrico

Los polibenzimidazoles se caracterizan por su alta estabilidad térmica debido a la

presencia de anillos aromáticos en la cadena principal [93]. La manera de

comprobar este hecho es a través de un análisis termogravimétrico, donde los

polímeros obtenidos a partir de la 3,3-diaminobencidina y el ácido 4,4

oxibis(benzoico) fueron sometidos a este análisis. En la Figura 3.13 se muestran

los termogramas obtenidos, y se aprecia una pérdida de masa de aproximadamente

5-10% alrededor de 120°C la cual es atribuida a la eliminación de agua adsorbida,

puesto que estos polímeros son higroscópicos y absorben humedad a través de

puentes de hidrógeno con los grupos imidazol (N-H). Esta serie de polímeros

presentaron como era de esperarse una elevada estabilidad térmica, como se

puede observar en la Figura 3.13. La temperatura inicial de descomposición (TID)

se presentó arriba de 550 °C, siendo el PBI-OBA sintetizado a un tiempo de reacción

de 2 horas el que exhibió la TID mas alta.

Figura 3.13 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados con ácido oxi-

bis(benzoico). TID: Temperatura inicial de descomposición.

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

rdid

a e

n p

eso

(%

)

Temperatura ( C)

0.5 h1 h2 h3 h

n

NH

N

NH

N

O

Polímero TID (°C)

0.5 h 1 h 2 h 3 h

596.8 603.2 632.5 589.9

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61

3.1.4 Síntesis de PBI-BPTA a partir de ácido 2-butoxi-

tereftálico

Entre los objetivos principales de este trabajo de tesis la síntesis de

polibenzimidazoles que incluyan estructura tipo éter, que confieran flexibilidad a la

cadena del polímero, lo que a su vez repercutiría de manera positiva en la

solubilidad del polímero e incrementarían la posibilidad de formar membranas que

puedan ser evaluadas en la separación de gases.

En cumplimiento del objetivo se sintetizó un nuevo polibenzimidazol que incluye en

su estructura un grupo funcional tipo éter y una cadena alquílica como sustituyente

lateral en el anillo aromático del ácido tereftálico, como se muestra en la Figura 3.14

La manera tradicional de sintetizar polibenzimidazoles es a través de una

policondensación entre una diaminobencidina y un diácido carboxílico, siendo por

lo general este el último el portador de los grupos funcionales que se quieren

introducir. En las síntesis anteriores los diácidos utilizados se obtuvieron de manera

comercial, sin embargo, para esta síntesis no se cuenta con un diácido carboxílico

comercial que tenga los grupos que se desean introducir para obtener la estructura

propuesta. Por ello, fue necesario sintetizar el ácido carboxílico, mediante una

reacción de Williamson en medio básico entre el 2,5-dimetil fenol y el 1-bromo

butano, resultando el producto 1-butoxi 2,5-dimetilbenceno portador de un grupo

éter (Figura 3.15). Posteriormente, para obtener el ácido carboxílico se recurrió a la

Figura 3.14 Esquema general de la síntesis de polibenzimidazol a partir de

3,3´diaminobencidina y ácido 2-butoxi-tereftálico.

NH2

NH2

NH2

NH2

+

DAB Ác. 2-butoxi-tereftálico PBI-BTPA

140°CNH

N

NH

N

O

CH3

n

HOOC

COOH

O CH3

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62

oxidación de los grupos metilos mediante una reacción con permanganato de

potasio y de esta manera se obtuvo el ácido 2-butoxi tereftálico.

Resonancia magnética nuclear

Los productos obtenidos tanto de la reacción de Williamson y la oxidación con

permanganato, se caracterizaron por RMN de 1H y los espectros se muestran en la

Figura 3.16. El primer espectro corresponde al precursor 1-butoxi 2,5-dimetil

benceno el cual muestra las señales correspondientes a los protones aromáticos (a,

b y c) que se pueden ubicar a δ 6.98, 6.72 y 6.63 ppm, respectivamente. Estas

señales aromáticas (b y c) también se encuentran en el espectro del ácido 2-butoxi

tereftálico, como era de esperarse, desplazadas a frecuencias más altas, debido a

la mayor polaridad de los grupos ácidos carboxílicos, comparadas con los metilos

del precursor. En el caso del precursor los protones de los grupos metilos (e y f) se

encuentran a un desplazamiento de δ 2.21 y 2.18 ppm en forma de singuletes. Para

ambos productos los protones de los grupos metilenos perteneciente a la cadena

alquílica se muestran a campo alto en forma de multiplete a δ 1.4 y 1,7 ppm, los

protones del grupo metilo de la cadena alquílica se presentan en δ 0.9 ppm como

un triplete al igual que el triplete a δ 4 ppm, pertenecientes a los protones del grupo

metileno en posición alfa al grupo éter. Por último, en el caso del ácido se puede

encontrar una señal en forma de singulete a δ13 ppm correspondiente al protón

COOH y es evidente la eliminación de las señales a 2.21 y 2.18 ppm asignadas para

los grupos metilo del precursor, lo que confirma que la oxidación se llevó a cabo con

Figura 3.15 Estructura del precursor 1-butoxi-2,5-dimetilbenceno y el ácido 2-

butoxi-tereftálico.

CH3

CH3

O CH3

KMnO4HOOC

COOH

O CH3

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63

éxito. Las señales encontradas en desplazamiento a δ 2.5 y 3.5, pertenecen al

DMSO-D6 y agua, respectivamente. En estas reacciones se obtuvieron

rendimientos de 93% para el 1-butoxi-2,5-dimetilbenceno y de 67.2 % para el ácido

2-butoxi-tereftálico.

Una vez corroborado que se cuenta con el diácido carboxílico se procedió a realizar

la síntesis del polibenzimidazol siguiendo el procedimiento descrito en la sección de

metodología experimental. Los polímeros obtenidos de las síntesis a diferentes

tiempos de reacción también se caracterizaron por RMN de 1H y los resultados se

muestran a continuación en la Figura 3.17. Los tres primeros espectros

corresponden a polímeros sintetizados a tiempos de reacción bajos (0.5 h, 1h y 2.5

h) comparado con el tiempo de reacción que se empleó en el cuarto polímero. Los

primeros tres tiempos evaluados dieron como resultado espectros con bandas muy

Figura 3.16 Espectros de RMN de 1H de a) 1-butoxi-2,5-dimetilbenceno, b) ácido 2-

butoxi-tereftálico en DMSO-D6.

Rendimiento: 93 %

Rendimiento: 67.2 %

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64

amplias y poco definidas, sin embargo, las señales se encuentran en los

desplazamientos químicos característicos tanto de protones aromáticos (b, c, d, e,

f, g) a δ 7.5-8.5 ppm, como protones alquílicos (h, i, j, k) a δ 0.9-4.3 ppm.

El polímero sintetizado a 10 h de reacción presentado en el cuarto espectro fue

adicionalmente sometido a un proceso de purificación por sublimación con nitrógeno

líquido y una temperatura de 170 °C, con la finalidad de retirar la mayor parte de

impurezas posiblemente asociadas a restos de materia prima, disolventes y agua,

que impedían la definición de las bandas.

Figura 3.17 Espectros de 1H RMN en DMSO-D6 de los PBI sintetizados a partir del

ácido 2-butoxi-tereftalico a diferentes tiempos de reacción.

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65

Espectroscopía Infrarroja

En la Figura 3.18 se muestran los espectros de FTIR de los polímeros

sintetizados a los diferentes tiempos de reacción, donde se aprecia las bandas

de absorción a 800 cm-1 para todos los tiempos de reacción y que corrobora la

deformación del anillo de benzimidazol (6). La banda de tensión C-O del grupo

éter se ve reflejada a 1248 y 1041 cm-1 (5), las vibraciones en el plano del anillo

de benzimidazol 2,6 disustituido se logran observar a 1444 -1477 cm-1 (4). Entre

1500 cm-1 y 1650 cm-1 se ubica un pico de absorción característico de los

estiramientos C=C y C=N en los anillos aromáticos (3). Las bandas localizadas

en la región de 2950-2850cm-1 corresponden a los estiramientos C-H de los

grupos metilos (-CH3) y metilenos (-CH2-) presentes en la cadena alquílica (2) y

por último la banda a 3410 cm-1 confirman la presencia del estiramiento del

enlace N-H (1) de imidazol. Estas bandas de absorción permitieron corroborar la

estructura del nuevo polibenzimidazol obtenido a partir de ácido 2-butoxi-

tereftalico a diferentes tiempos de reacción y permitieron complementar los

resultados obtenidos por RMN de H1.

Grupo

Funcional Núm. de

onda cm-1

(1) N-H 3410-3050

(2) -CH2- 2950-2850

(3) C=C, C=N 1500-1650

(4) Sust. 2,6 del anillo

1444-1477

(5) C-O 1248-1041

(6) Anillo PBI 800

Figura 3.18 Espectros de FTIR en KBr de los polibenzimidazoles sintetizados con

ácido 2-butoxi-tereftalico a diferentes tiempos de reacción.

NH

N

NH

N

O

CH3

n

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0.5 h

2.5 h

1 h

10 h

Numero de onda cm-1

(6)(5)(4)

a)

d)

c)

Tra

nsm

ita

ncia

(u

.a)

b)

(3)(2)(2)

(1)

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66

Análisis termogravimétrico

El análisis termogravimétrico (Figura 3.19), mostró que todos los polímeros

sintetizados tienen alta resistencia térmica. Todos los polímeros presentaron la

temperatura inicial de descomposición (TID) por arriba de 580°C. En los

termogramas se observan dos pérdidas de masa, la primera de 1-3% por encima

de 100°C que corresponde a la perdida de agua, y la segunda de 15-22% alrededor

de 240°C que concierne al rompimiento de las cadenas alifáticas presentes en la

estructura del polibenzimidazol. El polibenzimidazol sintetizado a 10 h fue el que

presentó la temperatura de degradación más alta a 611°C y mostro una mayor

estabilidad térmica comparado con el PBI-AA que también cuenta en su estructura

con una cadena alquílica, lo cual está relacionado con la presencia del grupo

aromático en la estructura del PBI-BTPA proveniente del diácido carboxílico

utilizado [10], que confiere mayor rigidez a la cadena por lo tanto se requiere de

mayor energía calorífica para degradarla.

Figura 3.19 Termograma de los polibenzimidazoles sintetizados a partir del ácido 2-

butoxi-tereftálico. TID: Temperatura inicial de descomposición.

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

rdid

a e

n p

eso

(%

)

Temperatura ( C)

0.5 h1 h

2.5 h10 h

NH

N

NH

N

O

CH3

n

Polímero TID (°C)

0.5 h 1 h

2.5 h 10 h

599.6 603.4 598.2 611.4

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67

Por otra parte, este polímero presentó menor TID que el PBI-OBA, este

comportamiento podría estar influenciado por la presencia de la cadena butoxi en la

estructura del PBI-BTPA, ya que los derivados alifáticos se descomponen a

menores temperaturas comparados con los derivados aromáticos, esto debido a la

presencia de enlaces sencillos C-C. También se puede observar en el TGA una

pérdida de masa sustancial desde la segunda caída, la cual se infiere que puede

estar relacionada con la presencia de cadenas de polímero de bajo peso molecular

que se degradan a baja temperatura.

En general, todos los polibenzimidazoles sintetizados en este trabajo presentaron

buena estabilidad térmica alrededor de 450-600°C, también se puede destacar que

la estructura del polibenzimidazol y el tiempo de reacción fueron factores

determinantes en el comportamiento térmico final que presentó cada polímero.

3.1.5 Pruebas de solubilidad

Las solubilidades de los PBI caracterizados por RMN de H1 y FTIR se evaluaron a

partir de soluciones 5% p/v utilizando los siguientes disolventes: N-metil-2-

pirrolidona (NMP), N, N-dimetilacetamida (DMAc), dimetilsulfóxido (DMSO) y ácido

sulfúrico (H2SO4) y los resultados se resumen en la Tabla 3.2, donde se aprecia que

los PBI sintetizados a partir de ácido adípico y ácido tereftálico resultaron ser

solubles en DMAc y en DMSO aplicando calentamiento a 80°C durante 12 h,

parcialmente solubles en NMP mientras que en H2SO4 fueron solubles a

temperatura ambiente.

Por otra parte, los polímeros sintetizados a partir del ácido 4,4-oxibis-benzoico y 2-

butoxi-tereftalico fueron solubles en la mayoría de los disolventes al aplicar

calentamiento, esto de acuerdo a la literatura se debe principalmente a la presencia

de un heteroátomo en la cadena principal del polímero, que le confiere flexibilidad a

las cadenas, que se ve reflejada en el aumento de la solubilidad [77], [80], [91].

Estos resultados permitieron seleccionar el disolvente adecuado para las pruebas

de viscosidad inherente que se muestran más adelante las cuales fueron de utilidad

para la preparación de películas.

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68

Tabla 3.2 Solubilidad de los PBI en diferentes disolventes.

+ Soluble a temperatura ambiente.

++ Soluble al aplicarle temperatura de 80°C/12 h

± Parcialmente soluble al aplicar calentamiento de 80°C/12 h

3.1.6 Viscosidad inherente (ηinh)

La viscosidad inherente de los polibenzimidazoles fue determinada utilizando un

viscosímetro Ubbelohde tamaño 50 (Cole-parmer Instrument. Co) a 25 °C, una partir

de soluciones poliméricas de 0.5 g/dL en NMP y DMAc. Este parámetro proporciona

una idea acerca del peso molecular de los polímeros y en el caso de los

polibenzimidazoles funciona como indicativo de la capacidad de formación de

membranas. De acuerdo a lo reportado en la literatura se puede tomar un rango de

viscosidad inherente (0.60-2.1 dL/g), requerido para que el polímero sea viable para

la formación de membrana [47], [85], [91].

De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 3.3 en los polímeros

denotados como PBI-AA se obtuvieron valores de ηinh relativamente altos en DMAc

comparados con los valores obtenidos en NMP y más específicamente para el

polímero sintetizado a un tiempo de reacción de 5 h. En el caso de los PBI-TPA, se

obtuvieron valores significativos de ηinh en ambos disolventes, mostrando la DMAc

una pequeña ventaja sobre la NMP, obteniéndose un valor de 1.27 dL/g para el

polímero sintetizado a 5 h.

PBI NMP DMAc DMSO H2SO4

AA ± ++ ++ +

TPA ± ++ ++ +

OBA ++ ++ ++ +

BTPA ++ ++ ++ +

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69

Tabla 3.3 Valores de viscosidad inherente obtenidos en NMP y DMAc para los

polímeros sintetizados a partir de ácido adípico y ácido tereftálico.

- Polímero no disuelto en el solvente.

Los resultados de esta evaluación para los polímeros sintetizados a partir de ácido

4,4’ oxi-bis(benzoico) (PBI-OBA) y 2-butoxi-tereftalico (PBI-BTPA) se muestran en

la Tabla 3.4. Para el PBI-OBA se obtuvieron valores altos de viscosidad inherente

en ambos disolventes comparado con los otros tres polímeros, lo que indica la

obtención de un polímero de alto peso molecular que definitivamente es viable para

elaboración de película. El valor más alto obtenido fue de 1.92 dL/g en DMAc. Para

el PBI-BTPA se obtuvieron valores bajos a tiempos de reacción cortos, lo que deja

en claro que para este polímero existe una relación directamente proporcional entre

el tiempo de reacción y la viscosidad inherente obtenida.

Con estos datos en primer lugar se seleccionaron los polímeros viables para

elaborar membranas, y que fueron aquellos que mostraron valores de viscosidad

inherente dentro del rango reportado, y en segundo lugar permitió la determinación

del disolvente ideal para la preparación de la solución polimérica que se requirió

para el casting.

ηinh dL/g ηinh dL/g

Polímero t(h) NMP DMAc Polímero t(h) NMP DMAc

PBI-AA-001 3 0.07 0.32 PBI-TPA-001 3.5 0.84 0.91

PBI-AA-002 5 0.12 0.68 PBI-TPA-002 5 1.19 1.27

PBI-AA-003 7 0.13 0.21 PBI-TPA-003 9 0.15 0.71

PBI-AA-004 9 0.14 - PBI-TPA-004 12 1.01 0.79

PBI-AA-005 12 0.16 - PBI-TPA-008 15 0.45 0.31

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70

Tabla 3.4 Valores de viscosidad inherente obtenidos en NMP y DMAc para los

polímeros sintetizados a partir de ácido 4,4 oxi-bis(benzoico) y 2-butoxi-tereftálico.

*Polímero parcialmente disuelto en el solvente.

Los polímeros sombreados en las Tablas 3.3 y 3.4 fueron los polímeros

seleccionados según el valor de viscosidad inherente reportado en las pruebas de

viscosidad para la elaboración de membranas.

ETAPA II

3.2 Preparación de membranas

Una vez seleccionados los polímeros con valores de viscosidad inherente aceptable

dentro del rango reportado, se procedió a elaborar las membranas de acuerdo a la

metodología propuesta en la sección 2.2.3 de este documento. A continuación, en

la Figura 3.20, se muestran imágenes de las membranas preparadas con los

polímeros seleccionados con valores de viscosidad inherente dentro del rango

sugerido para la formación de la membrana. Para su elaboración se prepararon

soluciones poliméricas en DMAc, que fue el disolvente que en pruebas de

viscosidad reportó valores más altos comparados con la NMP. En las imágenes de

PBI-AA (Figura 3.20a) se puede observar que la membrana del polímero sintetizado

a 3 h y con un valor de ηinh de 0.32 dL/g, tiene una apariencia poco homogénea

además de ser frágil, caso contrario de la membrana del polímero sintetizado a 5 h,

que se aprecia más uniforme, homogénea y manipulable. Este hecho pone de

manifiesto la relación que existe entre el tiempo de reacción y la viscosidad

ηinh dL/g ηinh dL/g

Polímero t(h) NMP DMAc Polímero t(h) NMP DMAc

PBI-OBA-001 0.5 1.51 1.73 PBI-BTPA-001 0.5 0.09 0.12

PBI-OBA-002 1 1.83 1.89 PBI-BTPA-002 1 0.17 0.22

PBI-OBA-003 2 1.86 1.92 PBI-BTPA-003 2.5 0.25 0.36

PBI-OBA-004 3 1.23 1.64 PBI-BTPA-004 10 0.87 0.93

PBI-OBA-005 4 0.56* 0.84*

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71

inherente y su repercusión en la formación de membranas de calidad. Como se

mencionó anteriormente la viscosidad inherente proporciona una idea acerca del

peso molecular de un polímero, y como ya se sabe para obtener un polímero de alto

peso molecular por policondensación interviene el tiempo de reacción.

En el caso de las membranas a partir de PBI-TPA (Figura 3.20b), se obtuvieron

membranas uniformes a partir de polímeros sintetizados a tiempos de reacción más

cortos, sin embargo, este fue un comportamiento particular que se infiere puede

estar relacionado con el uso del reactivo de Eaton, ya que se descubrió que el

realizar la síntesis con el reactivo de Eaton con un periodo de almacenamiento

relativamente corto optimiza el tiempo de la reacción, y que es un factor puede

afectar para fines de reproducibilidad. , Adicionalmente, es posible que a menor

tiempo de reacción se pudo obtener un polímero con menos fracción gelificada pero

de suficiente peso molecular para propiciar la formación de membrana.

En el caso de los PBI-OBA (Figura 3.20c) y PBI-BTPA (Figura 3.20d) se obtuvieron

membranas significativamente más flexibles y de apariencia uniforme que de

acuerdo a la literatura esto se debe a la incorporación de heteroátomos (oxígeno)

en el esqueleto del polímero que aumentan la solubilidad, además confieren

flexibilidad a la cadena y permiten una buena procesabilidad [65], [77], [93].

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72

d)

PBI-BTPA-004

Tiempo de rxm: 10 h

ηinh: 0.93 dL/g

a)

Figura 3.20 Membranas densas de a) PBI-AA, b) PBI-TPA, c) PBI-OBA y d)

PBI-BTPA.

b)

c)

PBI-AA-001

Tiempo de rxm: 3 h

ηinh: 0.32 dL/g

PBI-AA-002

Tiempo de rxm: 5 h

ηinh: 0.68 dL/g

PBI-TPA-003

Tiempo de rxm: 12 h

ηinh: 0.79 dL/g

PBI-TPA-008

Tiempo de rxm: 3.5 h

ηinh: 0.9 dL/g

PBI-TPA-009

Tiempo de rxm: 5 h

ηinh: 1.27 dL/g

PBI-OBA-002

Tiempo de rxm: 1 h

ηinh: 1.89 dL/g

PBI-OBA-003

Tiempo de rxm: 2 h

ηinh: 1.92 dL/g

PBI-OBA-001

Tiempo de rxm: 0.5

ηinh: 1.73 dL/g

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73

3.2.1 Microscopía Electrónica de Barrido de las membranas

Las imágenes obtenidas del corte transversal de las membranas se presentan en la

Figura 3.21 donde también se incluye el espesor de la membrana. En ninguna de

las micrografías se observa la existencia de poros lo cual es un indicativo de que

las membranas preparadas son del tipo densas, por lo que se espera que

proporcionen una alta selectividad en la separación de gases [28].

En la mayoría de las imágenes se observó una apariencia ligeramente rugosa y

homogénea, en las micrografías 3.21 e y f que pertenecen a la membrana preparada

con PBI-OBA se percibe una morfología irregular que pudo haberse generado

durante la realización del corte transversal dejando dichas marcas. Se puede

observar que el espesor obtenido fue de alrededor de 40 µm para las membranas

de PBI-TPA (Figura 3.21c y d), PBI-OBA (Figura 3.21e y f) y PBI-BTPA (Figura 3.21g

y h), mientras que para PBI-AA (Figura 3.21a y b) el espesor fue de

aproximadamente 90 µm, a pesar de la diferencia en espesores todas entran en el

rango necesario (20-100 µm) [28] para ser evaluadas en la celda de permeabilidad.

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74

Figura 3.21 Micrografías SEM del corte transversal de las membranas elaboradas a

partir de (a y b) PBI-AA-002, (c y d) PBI-TPA-009, (e y f) PBI-OBA-002 y (g y h) PBI-

BTPA-004.

a

b

c

d

e

f

g

h

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75

ETAPA III

3.3 Propiedades de permeación de mezcla de gases

Se investigaron las permeabilidades del nitrógeno, metano y el dióxido de carbono

en mezcla ternaria por el método cromatográfico para las membranas de PBI

sintetizada en este trabajo de tesis a una presión de 50 y 150 psi a una temperatura

de 35°C. En la Tabla 3.5 se muestran los valores del coeficiente de permeabilidad

y selectividad ideal calculados para cada gas.

Tabla 3.5 Coeficientes de permeabilidad y selectividad ideal para las membranas de PBI.

Membrana Presión

(psi)

Permeabilidad (Barrer)a Selectividad ideal

N2 CH4 CO2 CO2/CH4 N2/CH4

(3.6 Å) (3.8 Å) (3.3 Å)

PBI-AA 50

150 1.73 1.62

0.44 0.13

12.75 5.45

28.97 41.92

3.93 12.46

PBI-OBA 50

150 0.11 3.63

0.29 0.13

9.96 5.36

34.34 41.23

0.38 27.92

PBI-TPA 50

150 0.32 0.26

0.084 0.17

9.42 3.87

112.14 22.76

3.81 1.5

PBI-BTPA 50

150 1.29 0.15

0.18 0.11

10.35 5.09

57.5 46.27

7.16 1.38

a 1 Barrer =1 ×10-10cm3gas STP cm/cm2·s·cmHg

Los coeficientes de permeabilidad en las membranas de PBI-AA, PBI-TPA y PBI-

BTPA disminuyeron en el siguiente orden PCO2>PN2>PCH4, un comportamiento

característico en polibenzimidazoles que ha sido reportado previamente y que está

relacionado con el diámetro cinético de las moléculas de gases evaluados, de

manera que la molécula de gas con mayor diámetro cinético permea más lento [13],

[73], [94]. Por otra parte, el coeficiente de permeabilidad en la membrana PBI-OBA

disminuyó en el siguiente orden PCO2>PCH4>PN2, una mayor permeabilidad del CH4

con respecto al N2 es un comportamiento que ha sido reportado anteriormente para

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76

polímeros que presentan una mayor fracción de volumen libre lo cual favorece la

difusión [50], [95].

El polibenzimidazoles PBI-AA presentó un mayor coeficiente de permeabilidad para

el CO2 en comparación con las otras tres membranas estudiadas, este

comportamiento está relacionado con la flexibilidad agregada con la cadena

alquílica en la estructura principal del polibenzimidazol. Este comportamiento fue

estudiado por Bhavsar y col. quienes informaron que la incorporación de una cadena

alquílica de cuatro o menos grupos –CH2– no son capaces de empaquetarse

eficazmente por lo que no existe la reducción del volumen libre [71].

Por otra parte, las membranas de PBI-BTPA y PBI-OBA presentaron un coeficiente

de permeabilidad más alto para CO2 que el PBI-TPA, lo cual se atribuye a la

incorporación de segmentos flexibles tipo éter que mejoran la flexibilidad y al estar

unidos con grupos funcionales rígidos permiten disminuir el empaquetamiento de

las cadenas del polímero, lo que resulta en un aumento del volumen libre lo que

generalmente aumenta la difusividad del gas [65], [96]. Sin embargo, Li y col.

encontraron que estas funcionalidades rígidas también pueden restringir la

movilidad torsional de la cadena lo que conduce a una disminución de la difusividad

del gas [69]. Este hecho podría ser la razón por la cual el PBI-OBA tiene menor

coeficiente de permeabilidad que el PBI-BTPA.

En este trabajo el PBI-TPA presenta el coeficiente de permeabilidad en CO2 más

bajo comparado con el resto de los polímeros reportados en el presente estudio.

Esta menor permeabilidad del CO2 podría atribuirse al bajo volumen libre que resulta

del empaquetamiento eficiente de las cadenas del polímero debido a las fuertes

interacciones de enlaces de H e interacciones pi-pi [69], fenómeno que ha sido

reportado en otros estudios [62], [72]. De acuerdo a Kumbharkar y col. [97] este

tipo de polibenzimidazoles que cuenta con un grupo bencénico para-sustituido

exhibía una mayor selectividad y menores coeficientes de permeabilidad en

comparación con los PBI que incorporaban un grupo voluminoso, es decir, que los

PBI con mayor rigidez tendrán mayor selectividad ideal y menor permeabilidad, lo

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77

cual concuerda con los valores obtenidos para la membrana PBI-TPA del presente

estudio.

En la Figura 3.22 se puede observar que el aumento de la presión en las membranas

poliméricas evaluadas ejerce un efecto sobre la permeabilidad la cual tiende a

disminuir. Este comportamiento se atribuye a que al incrementar la presión se

induce la compactación de la membrana polimérica causando una disminución del

volumen libre disponible para la difusión del gas [98].

Figura 3.22 Efecto de la presión sobre la permeabilidad de las membranas.

50 100 150

0

5

10

15

PBI-AA-002/5h

Pe

rme

ab

ilid

ad (

Ba

rre

r)

Presion (PSI)

N2

CH4

CO2

50 100 150

0

5

10

15

Presion (PSI)

PBI-TPA-009/5h

Pe

rme

ab

ilid

ad (

Ba

rre

r)

N2

CH4

CO2

50 100 150

0

5

10

15

Presion (PSI)

PBI-OBA-002/2h

Perm

eabili

dad (

Barr

er)

N2

CH4

CO2

50 100 150

0

5

10

15

Presion (PSI)

PBI-BTPA-004/10 h

Perm

eabili

dad (

Barr

er)

N2

CH4

CO2

a) b)

c) d)

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78

También se puede apreciar que las membranas evaluadas en este trabajo no fueron

afectadas por la plastificación por CO2, un fenómeno que consiste en el incremento

de los coeficientes de permeabilidad con respecto a la presión y que afecta el

rendimiento en el transporte de gases de las membranas y que ha sido ampliamente

reportado en estudios con polímeros vítreos [68], [99], [100]. En la Figura 3.22c se

aprecia un leve incremento en la permeabilidad del N2 al aumentar la presión lo cual

se atribuye a la flexibilidad proporcionada por el enlace éter y la rigidez de la

estructura aromática del polímero [101].

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79

3.4 Propiedades de permeación de gases puros

Adicionalmente a los ensayos de permeabilidad de mezcla ternaria de gases se tuvo

la oportunidad de evaluar de forma preliminar las propiedades de transporte de

gases puros H2, N2 y CO2 para la membrana PBI-OBA-003/2h de acuerdo a la

metodología descrita de la sección 2.3.2. Cabe hacer mención que los ensayos de

la permeabilidad del CH4 no pudieron ser realizados debido a que la permeabilidad

estimada estaba por debajo del límite de detención del equipo. Las propiedades de

permeación de gases de la membrana fueron determinadas a la temperatura de

operación de la celda de 35°C y una presión variable agua arriba de 50 y 150 psi,

mediante el método de volumen constante/ presión variable. El área efectiva de la

membrana fue de 1.13 cm2 y el espesor de la membrana probada fue de 79.2 μm.

En la tabla 3.6 se muestran los coeficientes de permeabilidad (P) obtenidos en los

diferentes gases evaluados, así como la selectividad ideal (α).

Tabla 3.6 Coeficientes de permeabilidad y selectividad ideal de la membrana PBI-OBA.

a 1 Barrer =1 ×10-10cm3gas STP cm/cm2·s·cmHg b Diámetro cinético de las moléculas de gas

Para esta membrana el coeficiente de permeabilidad disminuyó en el siguiente

orden PH2> PCO2>PN2 para ambas condiciones de presión, comportamiento

característico apreciado en las membranas de polímeros vítreos que concuerda con

el orden ascendente del diámetro cinético de las moléculas de gas que fueron

evaluados. Esta tendencia coincide con lo reportado por Borjigin y col. [65] (Tabla

3.7) donde sintetizaron un polímero con cadenas flexibles tipo éter a partir de ácido

4,4´oxibis(benzoico) y un polibenzimidazol para-sustituido con ácido tereftálico

empleando una tetraminobifenilsulfona (TADPS). Ellos reportaron valores muy

Membrana Presión

(psi)

Permeabilidad (Barrer)a Selectividad ideal

H2 N2 CO2 H2/N2 H2/CO2 CO2/N2 (2.9 Å)b (3.6 Å)b (3.3 Å)b

PBI-OBA 50

150 5.09 4.98

0.025 0.0217

0.5325 0.5252

203.6 229.5

9.6 9.5

21.3 24.2

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80

similares tanto de permeabilidad como de selectividad H2/CO2 a los obtenidos en

este estudio.

Tabla 3.7 Coeficientes de permeabilidad y selectividad ideal de la membrana

obtenidas por Borjigin y col. [65].

Donde la mayor permeabilidad de CO2 del polímero con cadenas flexibles tipo éter

comparada con el polímero para-sustituido con ácido tereftálico fue atribuida

precisamente a la incorporación de los enlaces tipo éter que inducen el plegamiento

de la cadena polimérica e interrumpen el empaquetamiento, lo que lleva a

coeficientes de permeabilidad más altos en relación a los polímeros para-

sustituidos. Por otra parte, es evidente que esta membrana es más selectiva para

el par de gases H2/N2.

En la tabla 3.8 se muestran los coeficientes aparentes de difusión (D) y solubilidad

(S), a dos diferentes presiones y 35°C de esta membrana evaluada, la cual presenta

una tendencia en los coeficientes de difusión de DH2> DCO2>DN2 que corresponde

con el reportado para polímeros vítreos. Tal como se aprecia en la tabla existe esta

tendencia de mayor permeabilidad y difusividad para H2, esto se debe

principalmente a que la permeabilidad y la difusividad aumentan a medida que

disminuye el diámetro cinético de las moléculas del gas [28], también se aprecia

una mayor solubilidad para CO2 esto de acuerdo a Li y col. [69] se debe

principalmente a las condensabilidades relativas del gas (temperatura critica del

gas/ punto de ebullición), por lo que el CO2 (punto de ebullición= -78.15°C)

generalmente exhibe mayor solubilidad que el H2 (punto de ebullición= -253.15°C)

en las membranas poliméricas.

Membrana Presión (psi)

Permeabilidad (Barrer)a Selectividad ideal

H2 N2 CO2 H2/N2 H2/CO2 CO2/N2 (2.9 Å)b (3.6 Å)b (3.3 Å)b

TADPS-OBA 150 5.5 ±0.2

- 0.56 ±0.02

- 10 -

TADPS-TPA 150 5.5 ±0.3

- 0.28 ±0.02

- 20 -

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81

Tabla 3.8 Coeficientes aparentes de difusión (D) y solubilidad (S) de las

membranas PBI-OBA.

Membrana Presión

(psi)

Coeficiente de Difusión a Coeficiente de solubilidad b

H2 N2 CO2 H2 N2 CO2 (2.89 Å) (3.6 Å) (3.3 Å)

PBI-OBA 50 150

2.6 6.41

0.05 0.11

0.11 0.11

1.92 0.78

0.5 0.19

4.98 4.67

a (10-8 cm2/s) b (10-2 cm3(STP)/ cm3·cmHg)

Si bien, hasta el momento solamente fue posible la evaluación de la membrana de

PBI-OBA-003/2h, se espera que en un corto plazo las demás membranas

preparadas en este trabajo de tesis sean ensayadas en gases puros para

complementar aquellas evaluaciones ya obtenidas con mezcla ternaria CH4/CO2/N2.

Es así que estos resultados preliminares de transporte de gases puros representan

el inicio de una serie de ensayos que serán realizados en conjunto con otros PBI de

diferentes estructuras poliméricas que están siendo sintetizados en el grupo de

trabajo, con la finalidad de hacer un estudio completo para correlacionar el efecto

de los grupos éter y las cadenas flexibles en la estructura polimérica y su

contribución a las propiedades de transporte de los gases.

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82

CAPÍTULO IV

CONCLUSIONES

1. Una serie de polibenzimidazoles se sintetizaron exitosamente mediante una

reacción de policondensación de 3,3-diaminobencidina con cuatro diferentes

diácidos carboxílicos: ácido adípico (PBI-AA), ácido tereftálico (PBI-TPA),

ácido oxibis(benzoico) (PBI-OBA) y ácido 2-butoxi-tereftálico (PBI-BTPA),

empleando el reactivo de Eaton (ácido metanosulfónico/pentóxido de fosforo)

como agente de condensación y disolvente. La síntesis de estos polímeros

se confirmó por FTIR y 1H NMR.

2. Se realizaron pruebas de solubilidad a los polímeros sintetizados

obteniéndose una mayor solubilidad en DMAc.

3. Los polibenzimidazoles mostraron alta resistencia térmica, obteniéndose

temperaturas de inicio de descomposición (TID) alrededor de 450°C para el

PBI-AA, esto debido a la presencia de la cadena alquílica que se degradó a

bajas temperaturas, mientras que para el resto de los polímeros la TID se

encontró alrededor de 600°C.

4. Se elaboraron membranas densas de apariencia uniforme, flexible y

homogénea con los polímeros que presentaron valores de viscosidad

inherente más altos entre todas las series.

5. Las membranas obtenidas fueron evaluadas en la mezcla ternaria de gases

CH4/CO2/N2, y se encontró que la permeabilidad varía dependiendo de la

estructura polimérica. La membrana a partir de PBI-AA presentó un

coeficiente de permeabilidad para CO2 mayor en comparación con los tres

restantes. Lo anterior, se debe a la flexibilidad agregada por la incorporación

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83

de la cadena alquílica de cuatro unidades -CH2- que no propician el

empaquetamiento de las cadenas. Por otro lado, las membranas de PBI-

BTPA y PBI-OBA fueron más permeables con respecto al CO2 que la

membrana de PBI-TPA, lo cual indica que la incorporación de los segmentos

tipo éter favoreció la difusividad del gas, gracias al aumento del volumen libre.

La membrana a base de PBI-TPA fue la menos permeable debido a las

interacciones de enlaces de H que hay en su estructura que generan un

empaquetamiento reduciendo el volumen libre disponible para la difusión del

gas.

6. Se evaluó una membrana de PBI-OBA-003/2h obteniéndose resultados

preliminares en gases puros a dos diferentes presiones, esto representan el

inicio de una serie de ensayos que serán realizados con la finalidad de

complementar este trabajo y poder relacionar la influencia de la estructura

del polímero con las propiedades de transporte en gases puros.

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ANEXO A

Información adicional de 1H RMN

Figura 1. Espectro integrado de RMN de 1H para el polibenzimidazol sintetizado a

partir de AA y DBA.

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Figura 2. Espectro integrado de RMN de 1H para el polibenzimidazol sintetizado a

partir de TPA y DBA.

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Figura 3. Espectro integrado de RMN de 1H para el polibenzimidazol sintetizado a

partir de OBA y DBA.

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Figura 4. Espectro integrado de RMN de 1H para el polibenzimidazol sintetizado a

partir de BTPA y DBA.