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Procesos Productivos Nanotecnológicos
Carlos Felipe Mendoza
CIIEMAD-IPN
* La nanotecnología ofrece nuevas prospectivas yoportunidades.
* Es considerada como la cuna de una nuevarevolución industrial.
* El advenimiento de la nanotecnología ha provocadoel desarrollo de un sin número de aplicaciones yproductos nuevos.
* Se está incrementando el uso de nanomateriales enproductos de consumo.
[Toxicology 269 (2010) 160–169]
Colaboradores:
Dr. FernandoChávez Ramírez (Nanoestructuras)Dr. Placido Zaca Morán (Fibras ópticas)Dr. FranciscoG. Pérez Sánchez (Sensores)C. Dr.Oscar Goiz Amaro (Sensores‐nanoestructuras)Dr. Enrique Lima Muñoz (Resonancia magnética nuclear)Dr. Carlos Ángeles Chávez (Microscopia)Dr. Ramón Peña Sierra (Materiales)Dra. Laura Meraz Cabrera (Residuos sólidos urbanos).Tec. Nicolas Morales (Instrumentación)
Que es una nanoestructura? Un material cuya estructura esta formada por capas o
agregados de átomos, con tamaños del orden denanometros.
Porque hacer y estudiar nanoestructuras? Propiedades físicas y químicas diferentes a las que
presentan en formamasiva:* Propiedades electrónicas dependen del tamaño y
forma de las nanoestructuras.* Fabricar: sensores de gases, emisores de
electrones, fármacos de liberación controlada, etc.
¿Que métodos existen para la síntesis de materiales?
¡Un montón! Sencillos y sofisticados
Métodos de mojado:* Sol-gel
* Electrodeposición
Característica física del vapor:* CVD asistido por aerosol (AACVD)* CVD inyección directa de liquido (DLICVD)
• Métodos de plasma:* CVD asistido por plasma de microondas (MPCVD)* CVD plasma-mejorado (PECVD)* CVD de plasma remoto mejorado (RPECVD)
Otros:* CVD de filamento caliente* CVD metalorgánico* Epitáxia en fase vapor….
Estructuras deseadas
Diseño de un sistema para la síntesis
Sistema de síntesis construidoConsumo de recursos naturales
Síntesis de nanoalambres de oxido de tungsteno por las técnicas HFCVD y CSVT
Formación de nanoalambres de oxido de tungsteno usando
las nanoesferas
Síntesis de nanoalambres de Fosfuro de Galio
(GaP)
Figura 4. Número de productos relacionados con materiales específicos
Figura 3. Número de productos deacuerdo a la región
Figura 2. Número de productos deacuerdo a la categoría
Figura 1. Número total de productos por fecha de inventario
24%2010-2013 (octubre)
Inventario de productos de consumo basados en nanotecnología introducidos en el Mercado. The project on emerging nanotechnologies.The Virginia Tech Center for Sustainable Nanotechnology worked with the Woodrow Wilson International Center
Adaptado de
http://www.nanotechproject.org/cpi
Algunos Nanoproductos Francia 33 productos
Diorskin Forever compactCompany: DiorCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: FranceHow much we know: “Al aplicarla se forma como una nanotela similar a una segunda piel, la cual siempre esta hidratada”
HYDRA ZEN® CREAMCompany: Lancome® (8 productos)FranceCategories: Health and FitnessSubcategories:CosmeticsLocation of Nanomaterial: Suspended inliquid
Coco Mademoiselle Fresh Moisture MistCompany: Chanel®Category: Health and Fitness > CosmeticsOrigin: FranceHow much we know: “Es una nanoemulsión de nanoparticulas hidratantes ultraligeras que prolongan la fragancia”
RevitaLift® Intense Lift Treament Mask (Loreal)Category: Health and Fitness > CosmeticsOrigin: FranceShape/Dimensions: Nanoparticles, 100 nmLocation of Nanomaterial: Suspended in liquid
China 59 nanoproductos muchos basados en la plata
Alemania 311 nanoproductos muy diversos. Muchos relacionados a la industria automotriz
Korea 137 nanoproductos
Daewoo® RefrigeratorCompany: Daewoo® (Germany)Category: Appliances > Large Kitchen AppliancesCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: KoreaNanomaterial: Silver
Daewoo® Washing MachineCompany: Daewoo® (Germany)Category: Appliances > Laundry & Clothing CareOrigin: KoreaNanomaterial: Silver
Samsung® Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)Company: Samsung®Category: Electronics and Computers > DisplayCategory: Electronics and Computers > VideoOrigin: KoreaNanomaterial: Organics
USA 828 nanoproductosAgility Halter DressCompany: Green Tee ApparelCategory: Health and Fitness > ClothingOrigin: USA“Su tela repele los líquidos, resiste las arrugas, se seca rápido, permite la transpiración, es antimicrobiana”
AquafreshCompany: AquafreshCategory: Health and Fitness > CosmeticsCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide
Bebe/Enfant High Protection SPF 50Company: Mustela®Category: Health and Fitness > SunscreenCategory: Health and Fitness > CosmeticsOrigin: USANanomaterials: Titanium dioxide, Zinc oxide
ColgateCompany: ColgateCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide
Fiber One CerealCompany: Fiber OneCategory: Food and Beverage > FoodOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide
Head and Shoulders 2 in 1 ShampooCompany: Head and ShouldersCategory: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Titanium dioxide
Pantene Classic ShampooCompany: PanteneCategory: Health and Fitness Origin: USANanomaterial: Titanium dioxid
Nanbabies® Face MasksCompany: Nanbabies®Category: Health and Fitness > Personal CareOrigin: USANanomaterial: Silver
Beer Bottle PlasticsCompany: VoridianCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: USANanomaterial: ClaysHow much we know: Botellas Imperm es un plástico impregnado de nanopartículas de arcilla tan duras como el vidrio, pero menos propensas a romperse. La distribución de las nanopartículas proporcionan una barrera entre las moléculas de dióxido de carbono que están tratando de escapar de la bebida y de las moléculas de oxígeno que están tratando de colarse, manteniendo la cerveza más fresca y dándole hasta un máximo de seis meses la vida útil
Hite Brewery beersCompany: HoneywellCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: USAEs tereftalato de polietileno (PET) dopadas con la resina de nylon Aegis ® demostrar cerca de cero las tasas de transmisión de oxígeno durante largos períodos de tiempo, dependiendo de la barrera de carga
BlueMoonGoods™ Fresh Box Silver Nanoparticle Food Storage ContainersCompany: BlueMoonGoods, LLCCategory: Food and Beverage > StorageOrigin: USANanomaterial: Silver
México 1 nanoproducto
Deletum 5000 Anti-graffiti paint
Company: Victor Castaño
Category: Home and Garden > PaintCategory: Cross Cutting > Coatings
Origin: Mexico
La organización internacional para la estandarización (ISO) mediante el comité ISO/TC 229 Nanotechnologies, tiene como tareas principales desarrollar estándares para:
http://www.iso.org/iso/iso_technical_committee?commid=381983
* La terminología y nomenclatura
* La metrología e instrumentación, incluyendo especificaciones para materiales de referencia
* Pruebas metodológicas
* Simulación y modelación
* Buenas prácticas para el cuidado del ambiente, seguridad y la salud basadas en la ciencia.
ISO/TR 13121:2011. Evaluación del riesgo de los nanomateriales
ISO/TR 12885:2008 Prácticas de seguridad en lugares de trabajo relacionados con la nanotecnologías
ISO/TR 12901-1:2012 Gestión de riesgos laborales relacionados a la fabricación de nanomateriales
TR. Technical Report
http://www.iso.org/iso/iso_technical_committee?commid=381983
* El D.F. Genera 12,709 ton/día de RSU.•41.6% Reiduos orgánicos
* Se ha clausurado el bordo poniente.
* Los RO se llevan a la planta de compostaUbicada en el mísmo bordo.
* Fraccion muy pequeña de los residuos valorizablesse llevan a las plantas de selección ubicadas en lasdelegaciones
* El resto de los RSU se llevan a basureros del Estadode México
¿Que es el plasma?
+ 4to estado de la materia
+ La forma más abundante de materia en el universo:Se encuentra en los rayos y en las auroras boreales.
+Características diferentes a los estados sólido, liquido y gaseoso.
+ Similar a un gas cuyas partículas están ionizadas (cargadas eléctricamente)
+ Partículas No posee equilibrio electromagnético Buen conductor eléctrico
+ Se forma cuando la materia común se calienta a mas de 5000 °C, produciendo fluidos o gases cargados eléctricamente.
+ La característica principal de estos gases ionizados es facilitar la transferenciade calor y masa; y generar temperaturas de hasta 14000 °C.
+ La ionización de la materia para la formación del plasma se da por un proceso Llamado “proceso de cascada”:
Figura 1. Proceso de ionización en cascadaTras una sucesión de numerosas colisiones se forman
Millones de electrones e iones a gran velocidad.
El arco de plasma:
+ La utilización practica del plasma a nivel tecnológico se basa en la creación del del “arco de plasma”.
Principio básico: Tubo de descargas eléctricas clásico. Cabina aislada que contieneun gas a baja presión, atravesado por una corriente eléctrica cuando se le aplica un voltaje suficiente a sus electrodos.
A‐DDescarga oscura. Minimo de ionización. Radiación producida NO significativaF‐H Descarga brillante. Plasma emite un ligero brillo y ocupa casi todo el volumen.I‐K Descarga de arco. Plasma se concentra en el centro del tubo. Se produce mucha radiación
Figura 2. Tubo de descargas eléctricas Figura 3. Curva V‐I de un tubo de descargaseléctricas.
Figura 4. Transición de la descarga oscura (a)a la descarga de arco (c).
En la región de descarga brillante (b):* funcionan las lámparas de neón y las
televisiones de plasma.* Química analítica se usan estaspropiedades para el análisis elementaly molecular de los s, l y g.
En la región de descarga de arco eléctrico (c) :
+ Ocurre en el espacio situado entre 2 electrodos conductivos y lleno de gas.
+ Se originan temperaturas elevadas capaces de derretir o vaporizar casi todos los materiales
+ Es la base tecnológica de las antorchas de plasma (versión avanzada de los tubos de descarga eléctrica).
+ Las antorchas de plasma son equipos industriales que permiten producir gases ionizadosa altísimas temperaturas mediante el control del arco eléctrico.
Figura 5. Antorcha de plasma
+ Rangos de potencia 75 kW – 10000 kW
+ Eficiencias del 90%
+ Normalmente se usa Ar y He como gas detrabajo
+ La calidad del plasma producido depende de la densidad y la temperatura alcanzados.
+A mayor potencia mejor calidad del plasma
Las antorchas de plasma son medios eficientes para derretir sólidos o residuos en un periodo corto de interacción residuo‐plasma
El proceso de la gasificación por plasma en la eliminación de residuos
La gasificación:+ Proceso termodinámico al cual se le suministra energía con la finalidad de romperlos enlaces moleculares de las sustancias solidad y liquidas.
+Se forman 3 subproductos:* Un gas de síntesis limpio (Syngas)
Enfriado y purificado se usa como combustible para calderas y motores para producir electricidad.
* Lava fundida (producto vitreo al enfriarse) y* Calor
+ Es una tecnología simple y probada comercialmente
+ Gasificación incompleta‐Temperatura de trabajo < 1700°C. Se generan subproductos como alquitranes, escorias o cenizas.
+Gasificación a altas temperaturas con antorchas de plasma. Logran disociación molecularcompleta, evitando la presencia de subproductos tóxicos y la formación de dioxinas yfuranos.
Entonces es mas ventajosa que la incineración clásica; ya que:
* reduce las emisiones atmosféricas* reduce el volumen de las escorias (debido al proceso de vitrificación)
Figura 6. Intervalo de temperaturas del proceso de gasificación por plasma
Craking térmico. Moléculas complejas se disocian en moléculas mas simples formandohidrocarburos e hidrogeno
Oxidación parcial. Favorece la formación de CO, CO2 y H2O (efecto negativo sobre elvalor calorífico del syngas.
Reformación. C+H2O‐‐‐CO +H2 favorece la formación de gas energéticoCO2+C‐‐‐‐2CO disminuye el poder calorífico del syngas
En general si se desarrolla el proceso de gasificación entre 1700 y 4000 °C:Se acelera la reacción, se reduce el tamaño del gasificador y se trabaja a presión atmosférica. Entonces se disminuyen los costos de fabricación y operación
El resultado final es que solo el CO2 y el H2 resisten las altas temperaturas que producenLas antorchas de plasma. Eliminando cualquier otro compuesto de los residuos iniciales.
A temperaturas < a 2700°C pueden existir VOC (compuestos orgánicos volátiles)
Gracias a las T elevadas se habla de un proceso de fusión de moléculas inorgánicas ytransformación en lava tipo volcánica que al enfriarse forma un vidrio inerte, atrapandoen la red cristalina los compuestos potencialmente peligrosos como los metales pesados.Por lo que este material es inocuo, no toxico y no posee lixivialidad.
El subproducto solido del proceso de gasificación se llama slag.
El peso del slag es el 20% del peso del residuo original.El volumen del slag es el 6% del volumen del residuo original.Diferentes formas del slag:
Arena formada Por enfriarcon agua
Nódulos metalicosSeparados de laarena
Slag enfriadoEn aire
Lana de roca. Se produceApartir de rocas mineralesDerretidas y rotandolas
Basura(nanoproductos)
Conjunto deProcesos productivos
Residuos provenientesde los procesos productivosSingasLava fundida-SlagsCalor
Confinar
Aprovechamiento de nanorresiduos
Análisis de ciclo de vida. Herramienta para cuantificar el daño ambiental de procesos y productos
Nuevos ProductosFabricadoscon otros procesosproductivos
FabricasIncineraciónplasma
Uso denanoproductos
Otros procesos
productivos
