sÍntesis, caracterizaciÓn y evoluciÓn tÉrmica de una …

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SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA SERIE DE ESPECIES TIPO HIDROTALCITA Y SUS RESPECTIVOS ÓXIDOS MIXTOS. KAREN JULIETH HERNÁNDEZ GONZÁLEZ PROGRAMA DE QUÍMICA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA MONTERÍA-CÓRDOBA 2020

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SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA SERIE DE

ESPECIES TIPO HIDROTALCITA Y SUS RESPECTIVOS ÓXIDOS MIXTOS.

KAREN JULIETH HERNÁNDEZ GONZÁLEZ

PROGRAMA DE QUÍMICA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

MONTERÍA-CÓRDOBA

2020

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SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA SERIE DE

ESPECIES TIPO HIDROTALCITA Y SUS RESPECTIVOS ÓXIDOS MIXTOS.

Presentado por

KAREN JULIETH HERNÁNDEZ GONZÁLEZ

Director

MSc. PhD MARIO BARRERA VARGAS,

Codirector

PhD JOSÉ JOAQUÍN ARROYO GÓMEZ

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

MONTERÍA-CÓRDOBA

2020

Page 3: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

Dedicatoria

A Dios por su infinito amor y misericordia, a mis padres y hermanos que siempre

estuvieron acompañándome en este camino, en especial a mi madre que estuvo ahí

siempre siendo mi motivación para seguir, aunque ya no tuviera fuerzas, a mi tía que

está en el cielo que siempre me apoyo en mis deseos de superación.

Page 4: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

AGRADECIMIENTOS

Quiero aprovechar estas líneas para expresar mi más sincero agradecimiento a todas

esas personas que día a día estuvieron a mi lado y colaboraron de una u otra manera en

la culminación de este trabajo: ¡Muchas Gracias!

A Dios por su gran amor, a mis padres Johana González y José peralta por confiar en mi

capacidad y no abandonarme con mis sueños, a mis hermanos (José, Issa, Jesús) por

su apoyo en todo momento, a mis tíos y abuela que también me ayudaron a la

culminación de mi carrera.

A mi madrina Sandra Pulgarín quien desde el primer momento me brindó su apoyo

incondicional y a mi tía Alcira muchas gracias.

A la universidad de Córdoba, a su cuerpo de docentes y al departamento de química por

su gran labor, por cultivar mi potencial y formarme a nivel académico, personal de forma

íntegra, A mi director de tesis Mario Barrera por confiar en mis capacidades, por

brindarme un espacio en su laboratorio, por cada uno de los aportes a este trabajo y sus

buenos consejos que fueron mucho beneficio para la realización de este proyecto.

Al doctor José Arroyo Giménez del laboratorio de solidos poroso adscrito al instituto de

física aplicada (INFAP-CONICET) de la universidad nacional de san Luis en argentina

por su paciencia, colaboración, conocimientos y consejos hizo posible la culminación de

este trabajo, a la Universidad Nacional de San Luis por su contribución a la ciencia y por

permitirme la realización de varios análisis en sus laboratorios.

A todos mis compañeros que durante todo este tiempo estuvieron a mi lado,

regalándome cada día una enseñanza más. Por sus buenos tratos y su amistad.

A mi novio por su comprensión, confianza y por estar en todo momento a mi lado.

Page 5: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

I

TABLA DE CONTENIDO

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

2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 3

3. ANTECEDENTES ............................................................................................. 4

3.1 ARCILLAS ANIÓNICAS. ..........................................................................................................4

3.2 HIDROTALCITAS ....................................................................................................................5

3.3 HIDRÓXIDOS DOBLES LAMINARES (HDLs)............................................................................6

3.4 APLICACIONES DE LOS HIDRÓXIDOS DOBLES LAMINARES ..................................................8

3.5 SÍNTESIS POR EL MÉTODO DE COPRECIPITACIÓN ...............................................................9

3.6 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LAS HIDROTALCITAS. .......................................................... 10

3.7 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN ...................................................................................... 12

3.7.1 ANÁLISIS TÉRMICO (TA) ............................................................................................ 12

3.7.2 ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL (DTA) .................................................................... 12

3.7.3 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO (TGA) ................................................................... 14

3.7.4 CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) ..................................................... 15

3.8 DESCRPCIÓN DEL FENÓMENO DE ADSORCIÓN ................................................................ 15

3.8.1 PROPIEDADES TEXTURALES ...................................................................................... 16

3.8.2 TIPOS DE ISOTERMA .................................................................................................. 17

3.8.3 MÉTODO DE BET ....................................................................................................... 19

3.8.4 TIPOS DE HISTÉRESIS ................................................................................................. 20

4. METODOLOGÍA ............................................................................................. 21

4.1 SÍNTESIS DE HIDROTALCITAS BINARIAS DE SO4/ Zn2+ y SO4/ AL3+ “POR EL MÉTODO DE

COPRECIPITACION”. ...................................................................................................................... 22

4.1.1 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................... 23

4.2 FUNCIONALIZACIÓN DE LA HIDROTALCITa CON Ca(OH)2 30%(HDL-F) ............................. 24

4.3 ACTIVACIÓN TÉRMICA DEL MATERIAL TIPO HIDROTALCITA (HDL-C) ............................... 25

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................... 28

5.1 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO ..................................................................................... 28

5.1.1 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO DE LOS MATERIALES HDL-L Y HDL-F .................... 28

5.2 FISIADSORCIÓN DE NITRÓGENO A 77K. ............................................................................ 34

6. CONCLUSIONES ........................................................................................... 38

Page 6: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

II

7. RECOMENDACIONES ................................................................................... 39

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 40

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Representación de las arcillas aniónicas .................................................. 4

Figura 2: Representación de la estructura de la hidrotalcita. ................................... 5

Figura 3: Representación tridimensional de la estructura general de los HDLs. ...... 6

Figura 4: Representación de un termograma obtenido por análisis diferencial.

Tomado de (Paternina L.2018). ............................................................................. 14

Figura 5: clasificación IUPAC para los seis tipos de isotermas.............................. 19

Figura 6: clasificación de los distintos tipos de histéresis según la IUPAC ............ 21

Figura 7: Esquema para la ejecución del proceso de síntesis. .............................. 22

Figura 8: Montaje de la coprecipitación a baja sobresaturación a pH constante. .. 24

Figura 9: Montaje de la funcionalización del catalizador con CaOH 30%. ............. 25

Figura 10: Rampa de calentamiento para la formación de los óxidos mixto. ......... 26

Figura 11.A Representación de la curva de TGA obtenido de la muestra de HDL-L.

............................................................................................................................... 29

Figura 11.B Representación del masa obtenido del TGA de la muestra de HDL-L.

............................................................................................................................. 311

Figura 12.A: Representación de la curva de TGA obtenido de la muestra de HDL-

F………...................................................................................................................31

Figura 12.B: Representación del masa obtenido de la curva del TGA de la muestra

HDL-F. ................................................................................................................... 31

Figura 16: Curva de calor emitida o adsorbida (DSC) en función de la temperatura

de la HDL-L ............................................................................................................ 33

Figura 17: Representación de la curva de (DSC) en función de la temperatura de

HDL-F .................................................................................................................... 33

Figura 18: Isotermas de adsorción/desorción de la fisisorción de nitrógeno de la

muestra HDL-C ...................................................................................................... 34

Figura 19: Isotermas de adsorción/desorción de la fisisorción de nitrógeno de la

muestra HDL-F ...................................................................................................... 35

Figura 20: Isotermas de adsorción/desorción de la fisisorción de nitrógeno de la

muestra HDL-L. ...................................................................................................... 35

Page 7: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

III

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Metales divalentes y trivalentes comúnmente empleados en la

preparación de los HDLs. ........................................................................................ 7

Tabla 2: clasificación de poros de acuerdo a su tamaño. ...................................... 17

Tabla 3: Reactivos usados en la Síntesis de las HDT. .......................................... 23

Tabla 4: Condiciones de operación en la síntesis de hidrotalcitas empleando el

método de coprecipitación. .................................................................................... 27

Tabla 5: Datos de la pérdida de peso de los HDL. ................................................. 32

Tabla 6: Área superficial, volumen y diámetro de poro. ......................................... 36

Page 8: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

IV

RESUMEN

En los últimos años el estudio de materiales con estructura del tipo hidrotalcita ha

tenido una trascendencia fundamental en el desarrollo de la investigación científica

y en las aplicaciones tecnológicas, debido a la posibilidad de obtener este tipo de

materiales con propiedades excepcionales como el efecto memoria, alta capacidad

de intercambio aniónico entre otras.

En el presente trabajo se sintetizó un material tipo hidrotalcita laminar (HDL-L) con

una relación molar entre cationes divalentes (Zn2+/Al2+) igual a 3. La síntesis se

realizó mediante el método de coprecipitación a baja saturación y a pH constante.

Posteriormente una porción de esta muestra se impregnó con Ca(OH)2 al 30% p/v,

para su funcionalización (HDL-F). La muestra impregnada fue calcinada a 500°C

(HDL-C) con el fin de originar los óxidos mixtos respectivos que le otorgan las

propiedades básicas al material.

Los materiales obtenidos fueron caracterizados mediante termogravimetría

acoplada a espectrometría de masas demostrándose la formación del material tipo

hidrotalcita con pérdidas endotérmicas en el intervalo de 25-250°C asociadas a

deshidratación cristalina e interlaminar y entre 250-627°C debido a las

deshidroxilación de las láminas, así como a la descomposición de CO32- de la región

interlaminar, este comportamiento es observado para los materiales HDL-L Y HDL-

F. La caracterización por adsorción física de nitrógeno a -196°C (77K), permitió

obtener las propiedades texturales de los materiales HDL-L, HDL-F Y HDL-C como

el diámetro de poro, con un resultado promedio de 40.41, 26 nm; área superficial

específica de 8.137 m2/g e isotermas del tipo IV con ciclos de histéresis de clase

H3, comprobándose que son materiales de tipo mesoporosos.

Palabras Clave: Coprecipitación, Hidróxidos dobles laminares, evolución térmica,

hidrotalcita, termogravimetría, adsorción, síntesis.

Page 9: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

1

1. INTRODUCCIÓN

Los materiales tipo hidrotalcita, también conocidos como hidróxidos dobles laminares

(HDLs), son un grupo de materiales objeto de muchas investigaciones debido al gran

número de aplicaciones que tienen a nivel catalítico (oxidación parcial y reformado con

vapor de hidrocarburos, síntesis de metanol, reacciones de metilación vía Fischer

Tropsch), (Gabriele .2008). Los HDLs presentan una estructura tipo brucita, Mg(OH)2,

donde el catión Mg2+ se encuentra coordinado octaédricamente con seis aniones OH- y

los diferentes octaedros comparten aristas, formando láminas infinitas. Cuando los iones

Mg2+ son parcialmente sustituidos por iones trivalentes, se genera un exceso de carga

positiva la cual es compensada por un anión que se ubica entre dos láminas tipo brucita

(Kovanda .2005).

La fórmula general de los materiales tipo hidrotalcita es MII1−x MIII

x(OH)2(An−)x/n•yH2O,

donde MII y MIII son los iones divalentes y trivalentes, respectivamente; An- es el anión de

compensación de carga, y es el número de moles de agua, y x representa la fracción

molar del catión trivalente.

Los compuestos cristalinos tipo hidrotalcita son materiales mesoporosos (tamaño de poro

2-50 nm, (Thommes.2015) con estructura laminar y propiedades de intercambio aniónico,

y dependiendo de su composición, cristalinidad, estabilidad térmica y otras propiedades

físico-químicas presentan una gran variedad de aplicaciones como las mencionadas

anteriormente. Debido a su basicidad, los materiales tipo hidrotalcita tienen una extensa

aplicación en la catálisis; adicionalmente, existen algunos reportes del uso de estos

materiales para la eliminación de contaminantes, aprovechando su alta capacidad de

adsorción (Mantilla A, Tzompantzi F, & Fernández J L.2008). Teniendo en cuenta que

estos materiales son componentes escasos en la naturaleza, han surgido numerosos

estudios desarrollando nuevas técnicas de síntesis entre las más innovadoras está el

método de síntesis por coprecipitación. (Gabriele C, Siglinda P.2008) y consiste en hacer

precipitar el sólido manteniendo el pH constante, esto se logra regulando la velocidad

con la que se mezclan dos soluciones: una que contenga los cationes metálicos y una

Page 10: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

2

solución alcalina. Entre las ventajas presenta este método está la de dar origen a

precipitados más cristalinos con respecto a aquellos obtenidos a condiciones de alta

sobresaturación, otra ventaja se da por la reducción del tiempo de reacción al emplear

microondas y ultrasonidos.

La descomposición térmica de los compuestos tipo hidrotalcita se puede dividir en

diferentes etapas, teniendo en cuenta que dichos productos son estables hasta una

temperatura cercana a los 400°C. A temperaturas inferiores a 200°C, estos compuestos

pierden parte del agua localizada en la interlámina. A temperaturas comprendidas entre

200°C y 450°C se desprenden los iones carbonatos y el sólido resultante está

parcialmente deshidroxilado, formándose la fase Mg6Al2O8(OH)2. Si se calcina a

temperaturas comprendidas entre 450 y 900°C esta fase se transforma en periclasa

(MgO) y espinela MgAl2O4. Sin embargo, si la calcinación es a 500°C, se forma la fase

Mg6Al2(OH)2, que en presencia de agua y una fuente de carbonatos puede reconstruir el

compuesto tipo hidrotalcita original (García V. 2005.)

En este trabajo se sintetizó un material tipo hidrotalcita binaria a base de Zn y Al,

realizándole una funcionalización con Ca(OH)2 y calcinación a 500ºC, para

posteriormente estudiar su evolución térmica a través de técnicas temogravimétricas y

sus propiedades texturales mediante isotermas de absorción-desorción de nitrógeno a -

196°C.

Page 11: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

3

2. OBJETIVOS

General

Sintetizar, caracterizar y estudiar la evolución térmica de una serie de especies de

tipo hidrotalcitas y sus óxidos mixtos.

Específicos

Sintetizar hidrotalcita binaria de Zn-Al usando el método de coprecipitación.

Obtener mediante tratamiento térmico el óxido mixto correspondiente a la arcilla

binaria de Zn-Al.

Estudiar la evolución térmica de la especie tipo hidrotalcita.

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4

3. ANTECEDENTES

3.1 ARCILLAS ANIÓNICAS.

Las arcillas aniónicas están formadas por hidróxidos mixtos laminares, cuyos espacios

contienen aniones intercambiables. Estos materiales son nombrados de diferentes

maneras según la composición y la simetría de los minerales. Del mismo modo los

materiales tipo hidrotalcita, hidróxidos doble laminares se utilizan ampliamente para

denominar este tipo de materiales, debido a que los estudios de caracterización se han

llevado a cabo, en su gran mayoría, sobre la hidrotalcita (un hidroxicarbonato de Mg / Al)

y que además es un sólido fácil y barato de sintetizar. Por otra parte, el nombre de

referencia HDLs proviene de los trabajos iniciales de Feithnecht en 1942, quien

denominó a estos compuestos como (estructuras de dobles laminares), suponiendo una

estructura con láminas de hidróxidos intercaladas (Ramos E, Gutiérrez G, & Ríos

Tzompantzi, F. 2015).

Las arcillas aniónicas presentan propiedades básicas pobres, sensiblemente menores

que las de los óxidos mixtos obtenidos de la descomposición térmica. Las aniónicas son

los precursores de catalizadores multicomponentes más prometedores para muchas

reacciones catalíticas de interés industrial, complementando las de los materiales

catiónicos.

Figura 1: Representación de las arcillas aniónicas

Page 13: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

5

3.2 HIDROTALCITAS

El mineral hidrotalcita, perteneciente al grupo de las arcillas aniónicas, se descubrió en

Suecia en torno a 1842 y es un hidroxicarbonato de magnesio y aluminio. A partir de ahí,

diversos minerales isoestructurales con la hidrotalcita, pero con otros elementos en su

composición, fueron agrupados con el nombre general de compuestos tipo hidrotalcita

(Otero R.2015). La fórmula de la hidrotalcita (HDT) [Mg6Al2(OH)16][CO3.4H2O] fue

determinada por primera vez en 1915 por Manasse, quien además afirmó que los iones

carbonato eran esenciales para mantener este tipo de estructura la cual deriva de la

brucita por sustitución isomórfica. Parte de los cationes divalentes son reemplazados por

cationes de mayor carga, pero de radio similar como Al3+ Fe3+, Co3+, etc, que implica que

las láminas quedan cargadas positivamente. Además, encontramos qué la estructura no

es lo suficientemente flexible como para permitir la sustitución de cationes trivalentes,

divalentes o monovalentes en los huecos octaédricos y debido a la repulsión

electrostática los cationes trivalentes se ven obligados a distribuirse a los cationes

divalentes y no quedar cerca entre sí, como se muestra en la Figura 1.1(Otero R.2015)

Figura 2: Representación de la estructura de la hidrotalcita.

Las hidrotalcitas son potencialmente útiles como catalizadores o precursores de

catalizadores ya que pueden usarse para formar óxidos metálicos mixtos con altas áreas

superficiales y con un carácter básico que las hace útiles en varias reacciones.

Page 14: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

6

3.3 HIDRÓXIDOS DOBLES LAMINARES (HDLS)

Los hidróxidos dobles laminares (“Layered Double Hydroxides”-LDHs) son una familia de

compuestos laminares con aniones intercambiables en su espacio interlaminar. Tal como

se muestra en la Figura 3 (Ardanuy R M 2007).

Figura 3: Representación tridimensional de la estructura general de los HDLs.

Consisten en pilas de capas de hidróxido de metal mixto cargadas positivamente que

requieren la presencia de aniones entre capas para mantener la neutralidad de carga general

(Romero A. & Gutiérrez L.2004). Los hidróxidos dobles laminares son unas de las

estructuras más llamativas, gracias a su alta capacidad de adsorción, funcionalización,

estabilidad química y térmica, de síntesis sencilla y económica, excelente

biocompatibilidad, y por ello, con una gran gama de aplicaciones. Particularmente, en

remediación ambiental gracias a sus propiedades redox haciendo que estas fases

activas sean de gran interés para su aplicación en diversas reacciones de oxidación

(Jaimes L 2016). Adicionalmente, presentan un proceso de destrucción y reconstrucción

de láminas el cual es llamado efecto memoria que se logra cuando los HDLs son tratados

a temperaturas altas (Cabello C, Rincón S, & Zeped A.2017). Las propiedades finales de

los HDLs dependerán en gran medida de los parámetros que se pueden modificar en las

etapas de síntesis o de activación, por ejemplo, composición química, temperatura y pH

Page 15: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

7

de precipitación; así mismo se encuentran otras propiedades que los hacen resultar muy

interesantes como:

A. Área superficial específica elevada (100 - 300 m2/g).

B. “Efecto memoria”, el cual permite la reconstrucción de la estructura laminar

original, tras ser calcinada a 500ºC y puesta en contacto con disoluciones

acuosas de determinados aniones.

C. Distribución homogénea de los iones metálicos en los productos de calcinación,

térmicamente estables, con formación mediante reducción de nanopartículas

metálicas cristalinas muy pequeñas y estables.

D. Acidez y basicidad ajustables en función de la presencia de diferentes metales

en las láminas.

E. Alta capacidad de intercambio aniónico.

También se pueden sustituir los cationes Mg2+ y/o Al3+ o el anión interlaminar por otros

elementos, modificando la basicidad de los compuestos tipo HDT (Basave, Lorena,

Marban, Brenda. 2014), como los que se muestran a continuación en la Tabla 1.

Tabla 1: Metales divalentes y trivalentes comúnmente empleados en la preparación de los HDLs.

M2+ RADIO IONICO (nm)

M+3 RADIO IONICO (nm)

Fe 0,061 Al 0,054

Co 0,065 Co 0,055

Ni 0,069 Fe 0,055

Mg 0,072 Mn 0,058

Cu 0,073 Ga 0,062

Zn 0,074 Rh 0,067

Mn 0,083 Ru 0,068

Pd 0,086 Cr 0,069

Ti 0,086 V 0,074

Cd 0,095 In 0,080

Ca 0,100 Y 0,090

Page 16: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

8

3.4 APLICACIONES DE LOS HIDRÓXIDOS DOBLES LAMINARES

La aplicación de los hidróxidos está directamente relacionada con el uso de

catalizadores, la implantación de nuevas tecnologías para la conversión de la energía o

para la protección del medio ambiente. Los estudios en este campo buscan aquellos

materiales que mejoren la actividad y selectividad catalítica y, paralelamente, generen

menos subproductos y contaminantes (Rodríguez A. 2011). Desde el punto de vista

medioambiental, los HDLs actúan como intercambiadores y adsorbentes. Las

hidrotalcitas debido a que tiene una alta capacidad de adsorción de especies aniónicas,

posee una alta capacidad de intercambio aniónico y un espacio interlaminar que permite

adsorber moléculas polares y una amplia gama de especies aniónicas. Sin embargo, la

principal dificultad radica en evitar la presencia del anión carbonato de mayor afinidad

que la mayoría de las especies contaminantes por lo que a veces se emplean materiales

intercalados con Cl- en lugar de CO32-. Otro aspecto a considerar es el pH, ya que a

veces el intervalo de éste de la especie contaminante en disolución es incompatible con

el de la hidrotalcita. Los cationes como Ca2+, Mg2+ o Al3+ que forman las láminas,

permiten convertir a las hidrotalcitas en biocompatibles, poco tóxicas y con gran

capacidad de protección para el fármaco. Existen muchas investigaciones en relación al

intercalado de genes en los HDLs, a la toxicidad celular y a pruebas de transferencia

génica in vitro en diferentes líneas celulares.

Una de las aplicaciones más ingeniosas y quizá la de mayor repercusión industrial es su

uso como componente en los materiales de PVC. El principal problema de este material

es su degradación frente a la luz directa del sol, por la formación de HCl y radicales que

provocan que el PVC se vuelva amarillo. La introducción de pequeñas cantidades de

hidrotalcita en el material, captura el HCl mediante intercambio aniónico y por tanto

mantiene la fuerza y la blancura del PVC durante más tiempo. Otra aplicación muy

interesante es su uso como retardante de la combustión y aislante de cables con cierta

resistencia al calentamiento, fruto de sus propiedades térmicas. En efecto, al calentar la

hidrotalcita ésta se descompone liberando agua y CO2 lo que le proporciona cierta

capacidad extintora de incendios (Otero R.2015).

Page 17: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

9

3.5 SÍNTESIS POR EL MÉTODO DE COPRECIPITACIÓN

Existen varios métodos por medio de los cuales se obtienen los compuestos tipo HDT

entre ellos se encuentran: coprecipitación, reacción de hidrólisis, intercambio iónico,

síntesis hidrotérmica, reconstrucción basada en el “efecto memoria”, por irradiación de

microondas, proceso sol-gel, métodos electroquímicos, reacciones de deposición-

precipitación. La elección del método de síntesis está supeditada a la aplicación del

material tipo hidrotalcita, a las propiedades que se quieran obtener, al tiempo de reacción

y a la cantidad de producto que se quiera sintetizar (Paternina L 2018).

De los métodos antes mencionados, la coprecipitación es el método más útil para

preparar grandes cantidades de materiales y posteriormente, este método fue mejorado

para obtener un mayor rendimiento de la reacción y mejorar las propiedades del producto

obtenido. En muchos casos, la optimización del valor del pH de la coprecipitación y el

tiempo de envejecimiento no conduce a una hidrotalcita bien cristalizada, entonces se

debe recurrir a un tratamiento hidrotermal posterior para aumentar la cristalinidad de la

muestra. Esta técnica consiste en calentar un reactor de acero con revestimiento de

teflón que contenga la suspensión acuosa de la hidrotalcita a una temperatura

seleccionada en función de la naturaleza de los cationes metálicos. Este método consiste

en la adición de dos disoluciones; una de ellas contiene los precursores catiónicos del

catalizador y la otra el agente precipitante (hidróxido de sodio) junto con un compuesto

que contenga el anión interlaminar. La coprecipitación debe ser llevada a cabo bajo

condiciones de baja o elevada sobresaturación. La primera es el método más usado y

requiere mecanismos experimentales controlados y las condiciones más comúnmente

utilizadas son: pH: 7-10, temperatura: 60-80 °C, bajas concentraciones de los reactivos,

flujos lentos de reactivos, y un secado a temperaturas bajas (120°C) (Jaimes A L. 2016).

En definitiva, este método ha sido ampliamente utilizado para la preparación de

hidrotalcita con carbonato como anión interlaminar. Sin embargo, para introducir aniones

diferentes al CO32-, se debe evitar la presencia de CO2 en la disolución, que provocaría

la intercalación del CO32- dada la gran afinidad de este anión por el espacio interlaminar

Page 18: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

10

de la hidrotalcita. Para ello, se toman las precauciones de trabajar en atmósfera de

nitrógeno y utilizar agua descarbonatada en la preparación de las disoluciones.

3.6 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LAS HIDROTALCITAS.

La descomposición térmica de las arcillas aniónicas resulta interesante, pues a partir de

ellas se obtienen óxidos mixtos que han sido empleados en el campo de los catalizadores

o absorbentes. Muchos han sido los autores que han estudiado el comportamiento

térmico de los HDL (Fernández M. 2016). La hidrotalcita de Mg y Al como tal, es estable

hasta unos 400°C, temperatura a la cual se descarbonata, formando Mg3AlO4(OH). A

partir de los 600 °C se forma una mezcla de óxidos de MgAl2O4 (estructura espinela) y

óxido de magnesio, MgO (estructura tipo NaCl). La primera de estas etapas es reversible

si se pone en contacto el HDL con una solución acuosa que contenga los mismos

aniones, de forma que se reestablece la estructura laminar inicial (efecto memoria),

mientras que, la segunda etapa es irreversible.

Como este estudio pretende utilizar los óxidos correspondientes a la hidrotalcita

calcinada, a continuación, se enumeran algunas propiedades que caracterizan a estos

productos calcinados las cuales resultan muy interesantes para la utilización de estos

materiales en muchos ámbitos.

A) Alta capacidad de intercambio aniónico: Una de las propiedades más importantes

de los materiales tipo HDT es su capacidad de intercambio aniónico, lo que

permite el intercambio de los aniones que forman la zona interlaminar por otros

presentes en una disolución acuosa EPA. (Eviromental Protection Agency 2002).

B) Efecto memoria: El efecto memoria es una de las propiedades que resulta más

interesante una vez que el material tipo HDT se ha sometido a calcinación. En

este caso la adsorción de aniones de una disolución acuosa se lleva a cabo por

la reconstrucción de la estructura laminar (Días M, Alvim-Ferraz C, Almeida

F.2008).

Page 19: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

11

C) Propiedades ácido-base en función de los cationes que conforman la lámina: La

basicidad se puede modificar cambiando la naturaleza de los cationes que

conforman la lámina o la región interlaminar. Al someter a los HDL a tratamiento

térmico se pone de manifiesto su basicidad debido a tres tipos de centros (Días

M, Alvim-Ferraz C, Almeida F.2008).

Grupos hidroxilos terminales (se comportan como centros básicos de Brönsted).

Pares ácidos-base (O2- - M+). En este caso, el O2- sería el centro básico y el catión

M+ el centro ácido.

Oxígenos terminales: O2-.

D) Alta área superficial específica (100-300 m2/g).

El comportamiento térmico de los HDL está caracterizado por lo general por las

siguientes etapas.

1. La primera, de naturaleza endotérmica, tiene lugar a bajas temperaturas

(generalmente inferiores a 225°C) y representa la pérdida del agua fisisorbida y el

agua interlaminar. En esta primera etapa se diferencia la pérdida del agua

fisisorbida, normalmente a temperaturas menores de 100°C, para a mayor

temperatura perder el agua interlaminar.

2. La segunda, también de tipo endotérmica, se produce a mayor temperatura

(160°C) y se debe a la pérdida de los grupos hidroxilo presentes en la lámina y de

los aniones de la zona interlaminar. Se forma la fase Mg6Al2O8(OH)2, esto trae

consigo el colapso del arreglo laminar, lo que aumenta considerablemente el área

superficial.

3. Si se calcina a temperaturas comprendidas entre 450 y 900°C se transforma en

una fase periclasa (MgO) y una espinela (MgAl2O4). Algunos autores han

encontrado que entre 500 y 600°C se forma una solución sólida de óxidos mixtos

y que, por arriba de 600°C, el resultado de una mezcla de óxidos empieza a perder

área superficial y volumen de poro. (Paternina L. 2018.).

Page 20: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

12

En el caso de las hidrotalcita de Mg-Al, las reacciones que tienen lugar durante este

tratamiento térmico son las siguientes:

Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O 25-250°C Mg6Al2(OH)16CO3 + 4H2O↑

Mg6Al2(OH)16CO3 250-450°C Mg6Al2O18(OH)2 + 7H2O↑ + CO2↑

Mg6Al2O18(OH)2 450-900°C MgAl2O4 + 5MgO↑ + H2O↑

Resulta de gran interés el estudio del tratamiento térmico de la HDT obtenida, ya que

ésta conduce a la obtención de una mezcla de óxidos de los cationes involucrados en la

síntesis, confiriéndoles importantes propiedades catalíticas a estos materiales al

obtenerse una buena dispersión metálica de los cationes. (Sánchez B, 2019).

3.7 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

A continuación, se hablará sobre las técnicas empleados para la realización de los

análisis de las muestras en cuestión.

3.7.1 ANÁLISIS TÉRMICO (TA)

El análisis térmico es el estudio de la relación entre una propiedad de muestra y su

temperatura a medida que la muestra se calienta o enfría de manera controlada

(ICTAC.2014). La aplicación de estos métodos se encuentra: en el control de calidad

como en investigación de productos farmacéuticos, arcillas, minerales, metales,

aleaciones, polímeros y plásticos (Sánchez C.B, 2019).

3.7.2 ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL (DTA)

Es una técnica con la que se mide la diferencia de temperatura entre una sustancia y un

material de referencia en función de la temperatura cuando la sustancia y el material de

referencia se someten a un ciclo de temperatura controlado. Con esta técnica se detectan

Page 21: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

13

los fenómenos que se producen en una sustancia a una temperatura determinada, como

pueden ser los de fusión y solidificación, fenómenos de descomposición térmica,

oxidación etc. Normalmente, el ciclo de temperatura implica el calentamiento de la

muestra y del material de referencia, de tal manera que la temperatura de la muestra

aumenta linealmente con el tiempo. La diferencia de temperatura, ΔT, entre la

temperatura de la muestra y la temperatura del material de referencia se controla y se

representa en el eje de ordenadas, dando lugar a una curva diferencial (Días M, Alvim-

Ferraz M, Almeida F.2008). El DTA es usado para estudiar las propiedades térmicas y

cambios de fase de una muestra, los cuales no conllevan un cambio en entalpia

(Paternina L.2018.). El material de referencia debe:

No presentar eventos térmicos en el intervalo de trabajo.

No reaccionar con el porta muestras o el termopar.

Tener una conductividad térmica y una capacidad calorífica similares a los de la

muestra.

Usarse en polvo o crisoles de alúmina.

En un DTA al principio si la muestra no sufre ninguna transformación la energía

suministrada por el horno se emplea simplemente para aumentar la temperatura tanto

de la muestra como de la referencia por lo que la temperatura en ambos pocillos será la

misma y la diferencia de temperatura nula. Si se registra la diferencia de temperaturas

en función de la temperatura programada se debería observar una línea paralela al eje

de abscisas con valor cero. Si en un momento dado del programa de temperaturas la

muestra experimenta alguna transformación (por ejemplo, una fusión) la energía

aportada por el horno se empleará para llevar a cabo la fusión en lugar de emplearla

para aumentar la temperatura de la muestra (Figura 4), mientras que la temperatura de

la referencia seguiría aumentando según la rampa de temperaturas programada. En este

caso la traza generada por la ΔT debería ser tal que se observara un aumento hasta

llegar al punto en el que la velocidad de la transformación fuera máxima para finalmente

disminuir y recuperar la línea base en el valor cero al terminar la transformación. En este

caso se observa una curva endotérmica debido a que la transformación implica absorción

Page 22: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

14

de energía. En el supuesto de que la transformación implicara un desprendimiento de

energía, por ejemplo, una cristalización, se obtendría un pico hacia abajo exotérmico

(Paternina L.2018.).

Figura 4: Representación de un termograma obtenido por análisis diferencial. Tomado de (Paternina L.2018).

3.7.3 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO (TGA)

Los métodos térmicos permiten el análisis de la variación de la masa de la muestra en

función de la temperatura, bajo una velocidad contante de calentamiento (Rodríguez A.

2011).

3.7.3.1 ALGUNAS APLICACIONES PARA EL ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO

Estabilidad térmica de materiales.

Composición de un sistema multicomponente.

Estudio de vida media de diversos productos.

Estudio de descomposición cinética.

Efecto de atmosfera reactiva y/o corrosiva en distintos materiales (estabilidad

frente a oxidación etc).

Page 23: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

15

Contenido de humedad y/o volátiles.

Estudio de adsorción/ desorción.

3.7.4 CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC)

La calorimetría diferencial de barrido o DSC, es una técnica experimental que permite

determinar la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia, cuando se somete a

un programa de temperatura constante. La calorimetría diferencial de barrido se ha

revelado como una técnica importante en el campo de la ciencia de materiales debido a

su elevado grado de sensibilidad y a su rápida velocidad de análisis. Por otra parte, es

bien sabido que el conocimiento de la estabilidad térmica de un material, así como la

completa caracterización de sus transiciones, es de primordial interés en los materiales

con potenciales aplicaciones industriales (Suriñach, S, y otros.1992). En la técnica

experimental de DSC se dispone de dos cápsulas. Una de ellas contiene la muestra a

analizar y la otra está generalmente vacía y es la llamada cápsula de referencia. Se usan

calefactores individuales para cada cápsula y un sistema de control comprueba si se

producen diferencias de temperatura entre la muestra y la referencia. Si se detecta

cualquier diferencia, los calefactores individuales se corregirán de tal manera que la

temperatura se mantendrá igual en ambas cápsulas. Es decir, cuando tiene lugar un

proceso exotérmico o endotérmico, el instrumento compensa la energía necesaria para

mantener la misma temperatura en ambas cápsulas. Como regla general, puede decirse

que todas las transformaciones o reacciones donde se produce un cambio de energía

pueden medirse por DSC. La interpretación de las curvas permite determinar las

transiciones que sufren los materiales durante el análisis, se muestra la interpretación de

dichas curvas.

3.8 DESCRPCIÓN DEL FENÓMENO DE ADSORCIÓN

El término adsorción fue introducido por Kaiser en 1881 para connotar la condensación

de gases sobre superficies libres, a diferencia de la absorción gaseosa en donde las

moléculas del gas penetran dentro del sólido. La adsorción según la UPAC (1972) es el

Page 24: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

16

enriquecimiento, es decir, adsorción positiva o simplemente adsorción de uno o más

componentes en una interfase. El proceso inverso, o el vaciamiento, es la desorción o

adsorción negativa. Rouquerol (1999); la define como el enriquecimiento de material o

incremento en la densidad del fluido en la vecindad de una interfase y ocurre cuando la

superficie de un sólido está expuesta a un gas o líquido.

Actualmente, la IUPAC define la adsorción como el enriquecimiento de moléculas,

átomos o iones en la vecindad de una interfase. En el caso de los sistemas de gas/sólido,

la adsorción tiene lugar cerca de la superficie sólida y fuera de la estructura sólida (IUPAC

2015).

El fenómeno de adsorción es usado en la determinación de áreas superficiales y

distribución de tamaños de poro de catalizadores. Al ponerse en contacto un gas con la

superficie de un sólido se produce un equilibrio entre las moléculas adsorbidas y las

moléculas en fase gaseosa, que depende de la presión del gas y de la temperatura. La

relación entre el volumen de las moléculas adsorbidas y la presión a temperatura

constante se recoge en una isoterma de adsorción. La mayoría de las isotermas que se

encuentran en los sólidos pertenecen a uno de los cinco tipos denominados I a V en la

clasificación original de Brunauer, Deming, Deming y Teller o de tipo VI, añadido por la

IUPAC. La forma de cada isoterma está relacionada con diferencias en la energía de

interacción entre el adsorbente y el adsorbato, y con la porosidad del material. (Villarroel

D. 2019).

3.8.1 PROPIEDADES TEXTURALES

Las propiedades texturales correspondientes al análisis textural que se realiza mediante

adsorción de diferentes gases, en particular adsorción-desorción de N2 a -196°C y

adsorción de CO2 a 273 K, en conjunto con el uso de modelos matemáticos. Así también,

estudios con otros gases (Ar, Kr), algunos vapores orgánicos (CH4) e incluso vapor de

agua, puede ser útil para obtener información complementaria acerca de la textura y/o

Page 25: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

17

estructura de materiales porosos. A continuación se muestran las propiedades medibles

de los sólidos porosos como son.

Superficie específica aparente (BET): se define como el área superficial dividida

por la masa de la fase relevante (en este caso dividida por la masa del material

poroso) y está expresada en m2/g.

Volumen específico de poros o volumen total de poros (VTP): es el volumen total

vacío interno por unidad de masa del material poroso y está expresado en cm3 /g

(Villarroel D. 2019).

Tamaño de poro (WP): se define como el ancho del poro, es decir, la distancia

entre dos paredes opuestas de un poro. Dependiendo del tamaño de poro éste

puede ser expresado en nm o μm.

La IUPAC (Everett D. 1972), hizo una clasificación de los poros según su tamaño, tal

como se detalla en la siguiente Tabla.

Tabla 2: clasificación de poros de acuerdo a su tamaño.

Clasificación Tamaño

Microporos <2nm

Mesoporos 2nm< Wp<50nm

Macroporos >50nm

3.8.2 TIPOS DE ISOTERMA

Reportadas en la literatura se encuentran diferentes tipos de isotermas de adsorción, las

cuales han sido basadas en las mediciones hechas a una gran variedad de sólidos. Sin

embargo, la mayoría de las isotermas que son obtenidas por adsorción física (fisisorción)

pueden ser agrupadas en seis clases principales. Cinco de estos tipos de isotermas,

propuestos inicialmente por Brunauer, Deming, Deming y Teller (BDDT), y uno adicional

agregado después por Sing, completa así, la clasificación hecha por la IUPAC, y que fue

actualizada en el 2015, esta clasificación se muestra en la Figura 5.

Page 26: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

18

Isoterma tipo I es característica de los sólidos microporosos, debido a las dimensiones

tan pequeñas de los poros que conforman a estos materiales, los potenciales de

interacción adsorbente-adsorbato son muy fuertes de tal manera que a muy bajas

presiones prácticamente todos los poros que conforman al adsorbente se encuentran

llenos de condensado capilar, generalmente el incremento posterior de presión no causa

un incremento apreciable en la cantidad adsorbida (Villarroel D. 2019).

Isoterma tipo II reversible (con respecto a los procesos de adsorción y desorción) están

asociadas con materiales no porosos o macroporosos; la característica principal de este

tipo de isoterma es la formación de lo que se denomina monocapa, termino asociado con

el recubrimiento completo de una sola capa de adsorbato sobre toda la superficie del

adsorbente; el incremento posterior de la presión de vapor conlleva a la formación de lo

que se denomina multicapa (Zúñiga T 2015). Se admite frecuentemente que el punto B,

al principio de la parte central casi lineal de la isoterma (“rodilla”), señala el momento

aproximado en que el recubrimiento de la monocapa es completo y comienza la

formación de la multicapa.

Isoterma tipo III la característica más relevante es que presenta interacciones adsorbato-

adsorbente muy débiles.

Isoterma tipo IV son producidas por adsorbentes mesoporosos (por ejemplo, muchos

óxidos, adsorbentes industriales y tamices moleculares). El comportamiento de

adsorción en los mesoporos está determinado por las interacciones adsorbato-

adsorbente y también por las interacciones entre las moléculas en el estado condensado.

En este caso, la adsorción inicial de monocapa y multicapa en las paredes del mesoporo,

que toma el mismo camino que la parte correspondiente de una isoterma Tipo II, seguida

por la condensación de poros. Una característica típica de las isotermas de Tipo IV es

una meseta de saturación final, de longitud variable (a veces reducida a un simple punto

de inflexión).

Page 27: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

19

Isotermas tipo V estas no son comunes, y están relacionadas con la isoterma tipo III con

débil interacción adsorbato-adsorbente, pero con bucle de histéresis asociado a la

presencia de mesoporos.

Isoterma tipo VI, aparecen escalones causados por sistemas de absorción constituidos

por superficies energéticamente homogéneas y absorbibles la absorción escalonada

sobre una superficie uniforme no porosa permite ver la formación secuencial de la

monocapa y la multicapa.

Figura 5: clasificación IUPAC para los seis tipos de isotermas.

3.8.3 MÉTODO DE BET

Las isotermas de adsorción–desorción de N2 a bajas temperaturas son comúnmente

usadas para evaluar cantidades estándar tales como superficie específica aparente,

superficie externa, volumen total de poro y volumen de microporos. La superficie

específica aparente usualmente se evalúa mediante la ecuación de Brunauer, Emmet y

Teller (BET). A partir de los datos de adsorción medidos a bajas presiones relativas entre

0.05 y 0.25 – 0.3. El método BET es una extensión de la teoría cinética de Langmuir de

la adsorción en monocapa, pero ahora teniendo en cuenta la formación de mono-

Page 28: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

20

multicapa. De acuerdo al método de BET, las moléculas adsorbidas en una capa pueden

actuar como sitios de adsorción para moléculas en la siguiente capa. La determinación

de la BET se obtiene a partir de los datos de la isoterma de adsorción, donde utilizando

los datos de presión relativa y la cantidad adsorbida en mmol, se pueden determinar el

volumen adsorbido en la monocapa, Vm. La ecuación de BET para el cálculo de la

superficie específica está dada por la ecuación.

(

𝐩𝐩𝟎

𝐧𝐚𝐝𝐬 ∙ (𝟏−

𝐩

𝐩𝟎)

) =𝟏

𝐧𝐦 ∙ 𝐜 +

𝐜 − 𝟏

𝐧𝐦 ∙ 𝐜∙ (

𝐩

𝐩𝟎)

donde p corresponde a la presión de vapor en el equilibrio, p0 es la presión de vapor de

saturación, nads es la cantidad adsorbida (en mmol g-1 de sólido) a la presión relativa p/p0,

nm es la capacidad de adsorción en la monocapa (en mmol g-1 de sólido que cubre

completamente la superficie con una capa de una única molécula de espesor) y C es una

constante que depende del tipo de isoterma y describe la energía de adsorción,

incrementándose cuando la interacción adsorbato-adsorbente es mayor.

La IUPAC indica que el método BET es utilizado con mayor confiabilidad en isotermas

tipo II y IV, siendo inadecuado la aplicación directa del método en materiales que exhiban

isotermas tipo I y III. Lo correcto, según las últimas apreciaciones realizadas por expertos

es hablar específicamente de superficie específica aparente, determinada por cierto gas

(como el nitrógeno) a cierta temperatura (77 K) (Villarroel D. 2019).

3.8.4 TIPOS DE HISTÉRESIS

El ciclo de histéresis H1 está asociado con sólidos constituidos por glóbulos aglomerados

uniformes. El tipo H2 está asociado con poros con forma de tintero (una cavidad amplia

rodeada de estrecheces o cuellos) y en la cual se presenta el efecto del bloqueo de

poros. El tipo H3 pertenece al tipo de solidos constituidos por partículas en forma de

placas, dando origen a los poros entre placas paralelas. El tipo H4 es característico de

Page 29: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

21

solidos cuyas partículas presentan microporos muchas veces en forma de poros entre

ranuras (Arellano U. 2012) como se observa en la siguiente Figura 6.

Figura 6: clasificación de los distintos tipos de histéresis según la IUPAC

4. METODOLOGÍA

En la Figura 13 se presentan de forma esquemática los pasos a seguir en el proceso de

síntesis por el método de coprecipitación que se explica detalladamente más adelante.

Page 30: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

22

4.1 SÍNTESIS DE HIDROTALCITAS BINARIAS DE SO4/ Zn2+ Y SO4/ AL3+ “POR EL

MÉTODO DE COPRECIPITACION”.

Para la síntesis del material poroso tipo hidrotalcita laminar (HDL-L) de manera general

primero se determina la relación estequiometria constante de los cationes Zn2+/Al3+ y

relación molar entre los cationes divalentes M12+/ M2

2+. Como punto de partida se

prepararon las soluciones de los reactivos necesarios para ejecutar la síntesis del

material en cuestión.

DISOLUCIÓN A: Está compuesta por ZnSO4.6H2O y Al2(SO4)3.9H2O) las cantidades

correspondientes de los sulfatos en un volumen total de 150 mL.

DISOLUCIN B: Disolución de carbonato de sodio.

DISOLUCIÓN C: Es la encargada de regular el pH, en este caso, NaOH 2M.

Este material será sintetizado por el método de coprecipitación a baja sobresaturación a

pH constante.

Figura 7: Esquema para la ejecución del proceso de síntesis.

Page 31: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

23

En la Tabla 4 se encuentran los reactivos utilizados para la realización de la síntesis.

Tabla 3: Reactivos usados en la síntesis de las hidrotalcitas.

REACTIVOS FÓRMULA PM (g/mol) PUREZA MARCA

Sulfato de

Aluminio Al2(SO4)3.9H2O 375.13 95% MERCK

Sulfato de

Zinc ZnSO4.6H2O 297.49 99%

CARLO

ERBA

Carbonato de

Sodio Na2CO3 105.99 99% MERCK

Hidróxido de

Sodio NaOH 40 99% MERCK

Hidróxido de

calcio Ca(OH)2 74.093 99% MERCK

4.1.1 PROCEDIMIENTO

Para la preparación de la HDL-L se ubicaron las soluciones A y B en buretas

independientes de 100 y 50 mL, posteriormente y se inició el goteo de ambas de

forma lenta y consecutiva, a temperatura ambiente y en agitación constante.

Con un pH-metro se midió el pH y se dosifico NaOH 2M para mantenerlo entre

10-11.

Finalizado el goteo, la suspensión se sometió a un proceso de envejecimiento por

un periodo de 18 horas a temperatura ambiente.

Se recupera el sólido resultante y se lavó en agua desionizada hasta que las

aguas de lavado tuvieron pH 7.

El sólido se secó a 75 °C por un periodo de 15 horas, y finalmente se trituro y

etiqueto el producto final.

En la siguiente Figura se ilustra el procedimiento de la síntesis por el método de

coprecipitación, donde se encuentra un pH-metro, un soporte universal, las

Page 32: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

24

buretas con las disoluciones, un beacker que contiene la solución con carbonatos

y por ultimo una estufa para mantener la agitación.

Figura 8: Montaje de la coprecipitación a baja sobresaturación a pH constante.

4.2 FUNCIONALIZACIÓN DE LA HIDROTALCITA CON Ca(OH)2 30%(HDL-F)

El material sólido tipo hidrotalcita se funcionalizó por impregnación húmeda con Ca(OH)2

30% a partir de la HDL-L.

Se preparó una solución acuosa de Ca(OH)2 30%.

Se tomó la mitad del material obtenido (HDL-L) y se colocó en un crisol.

Por otro lado, la solución de Ca(OH)2 30% se vertió en una bureta de 25 mL

y se sujetó con una pinza a un soporte universal.

El crisol con el material se disponía debajo de la bureta, como si se pretendiese

realizar una titulación.

Page 33: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

25

Se dejó gotear la solución de Ca(OH)2 hasta que se observara la saturación

total del sólido.

El material impregnado se secó en una estufa a 85°C por 4 horas.

En la siguiente Figura se muestra el proceso de funcionalización de la muestra,

en esta ilustración se encuentra una bureta que contenía la solución de

hidróxido de calcio al 30% y un crisol que contenía el material calcinado.

Figura 9: Montaje de la funcionalización del catalizador con Ca(OH)2 30%.

4.3 ACTIVACIÓN TÉRMICA DEL MATERIAL TIPO HIDROTALCITA (HDL-C)

1. El material seco (HDL-L) se procedió a activar por medio de un proceso de

calcinación. Durante este proceso se formaron los óxidos mixtos de los cuales

otorgaron sitios básicos al material fresco y los sitios adicionales producto de la

impregnación.

Page 34: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

26

2. La calcinación se llevó a cabo en una mufla modelo fpca, con control de

temperatura maxthermo y se utilizó una rampa de calentamiento.

3. El proceso de programación de temperaturas para la calcinación de los materiales

tipo hidrotalcita, tenía como punto de partida la temperatura ambiente (25°), luego

a razón de 7°C/min la temperatura se elevaba hasta los 450°C y en este punto

permanecía constante por 30 minutos. Seguidamente y a razón de 2°C/min la

temperatura ascendía hasta 500°C y se estabilizaba por 3 horas.

4. Ya cumplido este lapso de tiempo la temperatura descendía libremente a la

temperatura ambiente.

Figura 10: Rampa de calentamiento para la formación de los óxidos mixto.

En la siguiente Tabla se resumen las disoluciones, relaciones molares y diferentes

parámetros que describen las síntesis antes mencionadas.

Page 35: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

27

Tabla 4: Condiciones de operación en la síntesis de las diferentes hidrotalcitas empleando el método de coprecipitación.

COMPOSICIÓN MOLAR DE LAS DISOLUCIONES

MOLES

Solución A: Al2(SO4)3.9H2O 0.01

Solución B: ZnSO4.6H2O 0.05

hidróxido de sodio: NaOH 0.2

Relación molar Zn-Al 3-1

Óxidos mixto derivado de la hidrotalcita

Cantidad de HDL calcinado (HDL-C) 1.35g

Cantidad de HDL funcionalizado (HDL-F) 1.02g

Temperatura de calcinación 500°C

Temperatura de funcionalización 25°C

Condiciones de operación

Velocidad de agitación 300 r.p.m

Temperatura 25°C

Page 36: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

28

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO

En el presente trabajo se han utilizado técnicas para determinar el contenido de agua y

aniones interlaminares de las muestras, sometiéndolas a un calentamiento progresivo en

un programa lineal en atmosfera oxidante. La eliminación del agua y otros compuesto

volátiles lleva asociada una pérdida de peso que tiene lugar a distintas temperaturas

según la sustancian de que se trate y de las condiciones de calentamiento. Dichas

pérdidas de peso obtenidas y sus temperaturas, correspondientes a los máximos

presentes en la curva diferencial (DTG), permiten diferenciar las etapas del proceso de

descomposición térmica, así como las pérdidas de peso que se producen en cada una

de ellas.

Se ha realizado un estudio en detalle de las propiedades de todos los materiales tipo

hidrotalcita sintetizados de HDL-L y HDL-F en función de la temperatura de calcinación

de los mismos.

5.1.1 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO DE LOS MATERIALES HDL-L Y HDL-F

En la Figuras 11A y 12A se presentan las curvas de pérdida de peso obtenidas en el

análisis termogravimétrico TGA y sus derivada DTG correspondientes a la muestra del

hidróxido doble laminar Zn-Al con los iones inorgánicos de la interlámina.

Como se puede observar ambos presentan las descomposiciones típicas de los

materiales tipo hidrotalcita. Para el caso del material HDL-L se puede observar la primera

pérdida de 2.87% en un pico angosto centrado alrededor de 74.15ºC el cual se atribuye

a la desorción de agua. Otro pico intenso a los 161.11°C corresponde a la eliminación

del agua interlaminar fuertemente ocluida en el sólido con una pérdida de masa del

5.52%; otra pérdida que se encuentra entre los 326.24°C y 508.04°C la cual es atribuida

Page 37: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

29

a la descomposición de los grupos hidroxilo enlazados y a la eliminación parcial de los

iones interlaminares(OH-,CO32-) con una pérdida de masa del 16.00%; finalmente se

obtiene una pérdida de masa del 24.34% con una estabilidad térmica por encima de los

400°C.

En la Figura 11A se ilustra la información obtenida por el espectrómetro de masa el cual

confirma la información proporcionada en el termograma, donde se observa una masa

de 18m/e atribuida al agua, una de 17m/e al ion hidroxilo y por último una de 44m/e al

ion carbonato.

Figura 11.A: Representación de la curva de TGA obtenido de la muestra de HDL-L.

Page 38: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

30

Figura 11.B: Representación del masa obtenido del TGA de la muestra de HDL-L.

Para el caso del material HDL-F el comportamiento es similar al de HDL-L, con una

pérdida del 4.92% del agua fisisorbida; un hombro a los 182.81°C por la pérdida del agua

interlaminar; y tres picos entre los 200°C y 627.67°C asociado a la descarbonatación y

deshidroxilación parcial con una pérdida de peso de 12.198%. Seguidamente, se puede

observar un pico a los 600°C que se debe a la incorporación del ion calcio ya que este

favorece a la formación de oxicarbonatos que son otra especie del ion carbonato que son

ligeramente más estable térmicamente favorecidos por este ion aumentado así la

temperatura de salida de grupos hidroxilos y carbonatos. Por consiguiente, se da un

colapso de la estructura y la formación de una metafase de óxidos mixtos de los metales

laminares. (Ramos E, Gutiérrez N, Montes G, etc.2015).

En la Figura 12A se ilustra la información dada por el espectrómetro de masa el cual

confirma la información proporcionada en el grafico del térmico, donde se observa una

masa de 18m/e atribuida al agua, una de 17m/e al ion hidroxilo y por ultimo una de 44m/e

al ion carbonato.

Page 39: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

31

Figura 12.A: Representación de la curva de TGA obtenido de la muestra de HDL-F.

Figura 12B: Representación del masa obtenido de la curva del TGA de la muestra HDL-F.

Page 40: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

32

En la siguiente Tabla se resumen los intervalos de temperatura y perdidas de peso para

las muestras HDL-L y HDL-F

Tabla 5: Datos de la pérdida de peso de los HDL.

Intervalos de

Temperatura

°C

Compuestos

Pérdida de masa

%

Máximos

°C

HDL-L HDL-F HDL-L HDL-F

25- 250

Agua de

cristalización 2.87 4.92 74.15 95.43

Agua

interlaminar 5.52 5,98 161.11 182.81

200-350 CO3 – OH- 12.94 8.020 322.75 399.57

333-627 CO3 –OH- 3.085 4.178 508.04 627.67

5.1.1.1 CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO

En las Figuras 13 y 14 se muestra las curvas de calor emitido o adsorbido en función de

la temperatura para los materiales tipo hidrotalcita llamados HDL-L y HDL- F. Primero,

se observa un pico endotérmico a los 160°C, el cual se presenta por la eliminación de

las moléculas de agua de cristalización y agua interlaminar, sabiendo que los procesos

de evaporación y descomposición son endotérmicos. Seguidamente se encuentran en

intervalos de 220 a 400°C los procesos de eliminación de carbonatos e hidróxidos de la

estructura laminar de la hidrotalcita; cabe mencionar que para el caso de HDL-F los picos

son más pronunciados debido a la funcionalización con Ca(OH)2.

Se puede notar que los picos endotérmicos de la eliminación de los aniones carbonatos

e hidroxilos no soy muy pronunciados debido a los estrictos lavados que se realizaron

para eliminar los sulfatos provenientes de las sales de los metales la cual pudo provocar

la lixiviación de muchas moléculas de hidroxilo y carbonatos.

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33

Figura 13: Curva de calor emitida o adsorbida (DSC) en función de la temperatura de la HDL-L

Figura 14: Representación de la curva de (DSC) en función de la temperatura de HDL-F

Page 42: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

34

5.2 FISIADSORCIÓN DE NITRÓGENO A 77K.

La técnica de Fisiadsorción de N2 es la más usada para la determinación del área

superficial y distribución de volumen en función de los tamaños de poro además, permite

el estudio de todo tipo de texturas porosas, como óxidos, carbones, zeolitas o polímeros

orgánicos entre otros. La forma de cada isoterma está relacionada con diferencias en la

energía de interacción entre el adsorbente y el adsorbato, y con la porosidad del material,

La característica más importante en la presencia de un ciclo de histéresis está asociado

con los fenómenos irreversibles de la condensación y evaporación capilares dentro de

los poros del adsorbato. La parte inicial de este tipo de isotermas se atribuye a la

adsorción en monocapa-multicapa, puesto que sigue la misma forma que la

correspondiente a una isoterma tipo ll. (Torrejón. a, 2015).

El análisis de adsorción-desorción de N2 a 77 K del óxido mixto se realizó en un Autosorb

1MP de Quantachrome. Para la determinación del área superficial se empleó el modelo

BET y el volumen de poro, diámetro promedio de poro se determinaron empleando el

método BJH. A continuación se muestran las isotermas obtenidas para cada uno de los

materiales sintetizados.

Figura 15: Isotermas de adsorción/desorción de la fisisorción de nitrógeno de la muestra HDL-C

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Figura 16: Isotermas de adsorción/desorción de la fisisorción de nitrógeno de la muestra HDL-F

Figura 17: Isotermas de adsorción/desorción de la fisisorción de nitrógeno de la muestra HDL-L.

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Tabla 6: Área superficial, volumen y diámetro de poro.

Absorbente

Área específica

(m2/ g)

Volumen de poro

(cm3 /g)

Diámetro de poro

(nm)

HDL-L 8 0.095 40

HDL-F 13 0.15947 41.58

HDL-C 7 0.08912 26.72

En Figuras15, 16,17. se presentan las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno de

las muestras HDL-L, HDL-F Y HDL-C con una relación molar de los metales 3:1, también

podemos observar una tabla que nos muestra los valores del área superficial, así como

el volumen y diámetro de poros de los materiales. Todas las isotermas son del tipo IV

según la clasificación IUPAC (Thommes. 2015) lo que indica que las hidrotalcita son

sólidos mesoporosos. Las hidrotalcitas presentan un lazo de histéresis tipo H3

característica de poros tipo rendija. Esos poros son característicos de la hidrotalcita con

arreglo laminar bien ordenado.

Cabe resaltar que, desde la parte inicial de la isoterma, en el intervalo de presiones

relativas entre 0.0-0,08 evidencian bajos volúmenes de nitrógeno adsorbidos. Luego, a

presiones relativamente más altas (>0.08) se detectaron ciclo de histéresis amplio para

todos los materiales, asociado posiblemente a una condensación capilar sobre las

láminas del material tipo hidrotalcita, en conjunto con el manifiesto de una red porosa.

Así mismo, es evidente un aumento abrupto en los volúmenes de nitrógeno adsorbido

cuando la presión relativa supera los 0.5, dicho comportamiento está relacionado con el

llenado de los mesoporos de mayor tamaño.

El ciclo de histéresis puede asociarse con el desarrollo de una red porosa y de una

condensación capilar retardada sobre la superficie de los cristales laminados

El valor de área superficial del material HDL-L sintetizado presenta un valor bajo y con

una discrepancia amplia respecto algunos valores reportados en la literatura sobre este

tipo de sólidos (151.2 m2/g para un material tipo hidrotalcita de relación mg/Ca=2 (Santos

T. 2012). Lo anterior, puede deberse a factores asociados con la preparación de los

materiales, también a cambios brucos en la temperatura al efectuarse la rampa de

Page 45: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

37

calefacción provocando una colapso a nivel estructural y como consecuencia una

disminución de las propiedades texturales del material. Por su parte el material

funcionalizado HDL-F exhibe un valor de área superficial mucho mayor al compuesto

laminar sintetizado HDL-L.

Page 46: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

38

6. CONCLUSIONES

Los resultados presentados en este trabajo muestran que se sintetizaron materiales tipo

hidrotalcita de Zn-Al empleando el método de coprecipitación, también se obtuvieron los

óxidos mixtos derivados de la calcinación de la hidrotalcita precursora. Los sólidos

sintetizados se caracterizaron por análisis térmico (DSC/TGA) e isotermas de adsorción-

desorción de N2 a -196°C.

Las isotermas de adsorción-desorción de N2 de los materiales caracterizados,

corresponden a una isoterma tipo IV, característica de solidos mesoporosos según la

clasificación IUPAC, también tiene asociado un ciclo de histéresis H3 relacionado

posiblemente a una condensación capilar sobre las láminas del material. La forma de

este bucle de histéresis está dado por agregados no rígidos de partículas en forma de

placas. Se obtuvo un área superficial de 8m2/g, y 13m2/g y 7m2/g para HDL-C, HDL-F y

HDL-L respectivamente.

Todos los materiales presentaron señales asociadas a la presencia de las especies

características de hidrotalcita que contenían el ion carbonato. El análisis de (TGA-DTG-

MS) de los materiales corresponden a una curva de descomposición térmica típica de un

material tipo hidrotalcita, ella se muestran perdidas de naturaleza endotérmica en el

intervalo de 25-250C° asociada a deshidratación cristalina e interlaminar y entre 333-

530°C debida a las deshidroxilaciones de las láminas, así como a la descomposición de

NO3- y CO32- de la región interlaminar y por consiguiente un colapso de la estructura y la

formación de una metafase de óxidos mixtos de los metales laminares.

Todas las isotermas son del tipo IV según la clasificación IUPAC lo que indica que las

hidrotalcita son sólidos mesoporosos y presenta histéresis tipo H3. Cabe resaltar que,

desde la parte inicial de la isoterma, en el intervalo de presiones relativas entre 0,0-0,08

se evidenciaron bajos volúmenes de nitrógeno adsorbidos. Luego, a presiones

relativamente más altas (>0.08) se detectaron ciclo de histéresis amplio para todos los

materiales, asociado posiblemente a una condensación capilar sobre las láminas del

material tipo hidrotalcita, en conjunto con el manifiesto de una red porosa.

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39

7. RECOMENDACIONES

Realizar a los catalizadores técnicas de caracterización que de información sobre la

identidad del compuesto; tales como difracción de rayos x (DRX), espectroscopia

infrarrojo (IR) y/o espectroscopia de absorción atómica.

El análisis de la reutilización y estabilidad de los compuestos tipo hidrotalcita, así como

de los óxidos obtenidos a partir de ellas, resulta ser una temática interesante si se desea

saber la aplicabilidad en sucesivos ciclos en los que se pueden utilizar estos

catalizadores sin que se disminuya su actividad catalítica.

Dentro de lo posible realizar al material una técnica de caracterización que permita

identificar los sitios básicos activos que posee el catalizador, para así poder inferir sobre

su desempeño catalítico con mayor cimiento.

Realizar una aplicación para estudiar la utilidad de estos materiales tipo hidrotalcita.

Variar el contenido de zinc y aluminio en intervalos más amplios con el fin de corroborar

la contribución que tiene esto sobre las propiedades básicas de los materiales.

Page 48: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVOLUCIÓN TÉRMICA DE UNA …

40

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