La técnica de Análisis Térmico Diferencial (ATD), se basa en el cambio de energía de una muestra en función de la temperatura y del tiempo; la técnica Análisis Termogravimétrico (ATG), se basa en el cambio de peso en función de la temperatura y del tiempo. Para el análisis de muestras conteniendo PTP, se pesaron muestras de 10mg y se calentaron con una velocidad de 10º C/min. Los resultados del ATD y ATG para los materiales de partida se muestran en las Figuras 3.7, 3.8 y 3.9.
Los datos de análisis térmicos de la Figura 3.7, correspondiente a PTP indicaron que el material obtenido contenía agua adsorbida (eliminada desde 350 hasta 550° C) y agua estructural (eliminada desde 500 hasta 700° C). El termograma ATG indicó una pérdida parcial del peso de la muestra durante su análisis de 8.8% (% en peso) a 555º C, posteriormente se detectó una pérdida
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de 4.7 (% en peso) a 714º C generado por la descomposición de los grupos Ti- OH (Gorokhovsky et al., 2004)(eliminación del agua estructural).
El termograma ATD indicó la presencia de una reacción exotérmica a 703º C, la cual, corresponde al inicio de la cristalización de los PTP (Bergon et al., 1984). A una temperatura de 1030º C, existe únicamente la transformación del TiO2 de anatasa a rutilo.
Figura 3.7. Curvas de DTA/TGA para una muestra de 100% PTP (sintetizado proveniente de sales fundidas).
En la figura 3.7, los datos del análisis térmico mostraron el comportamiento de la cristalización de los precursores de los polititanatos de potasio. El calentamiento de los PTP a una temperatura superior a 1050° C, este material mostró dos picos endotérmicos pequeños, en el rango de temperatura desde 700 hasta 750° C y el otro desde 900 hasta 950° C; sin embargo, se observa también un efecto endotérmico débil a la temperatura de 1050° C, que corresponde a la transición vítrea del PTP.
El termograma obtenido para una muestra de 100% vidrio pyrex (Figura 3.8), indicó que el vidrio utilizado en la manufactura de los adsorbentes cerámicos, no posee tendencia a cristalizarse durante el tratamiento térmico (no se presentaron picos exotérmicos) y su temperatura de transición vítrea se presentó a 547° C.
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Figura 3.8. Curva de análisis térmico diferencial (DTA) para una muestra de 100% vidrio pyrex.
Los resultados de análisis térmico del almidón de papa (Figura 3.9) indicaron que, en el rango de temperaturas desde 25 y hasta 140° C, el almidón de papa mostró dos procesos: 1) la pérdida en peso relacionada a la evaporación de agua adsorbida y 2) el proceso endotérmico con un efecto térmico más intenso a 80° C. De acuerdo con los datos de literatura, este proceso corresponde a expansión volumétrica del almidón, esto como resultado del proceso de gelación de esta sustancia (Kroh et al., 1996).
Por otro lado, a temperaturas desde 275 y hasta 350° C, el almidón muestra una pérdida en peso de alrededor de 60%, la cual corresponde a su descomposición térmica (Mestres et al., 1996). De acuerdo con los resultados obtenidos y a los datos de publicaciones previas, la temperatura de 500° C, fue seleccionada como óptima, para la primera etapa de tratamiento térmico de los adsorbentes conformados mediante las mezclas de PTP-almidón-vidrio. Además se seleccionó, como la temperatura que garantiza la descomposición total del almidón de papa, así como la formación de un sistema de poros de transporte, contenidos en el adsorbente sinterizado. De la misma manera, con estas condiciones de tratamiento térmico, no se favorece la formación de fase liquida por la fusión del vidrio, lo que permite conservar la estructura de los poros abierta y continua.
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Figura 3.9. Curvas de DTA/TGA para muestras de PTP (línea negra) y vidrio pyrex (línea gris).
Por lo antes mencionado, es de vital importancia que el conformado de adsorbentes granulares, se lleve a cabo con el mayor número de partículas agregadas posible y con propiedades mecánicas óptimas para que resistan el desgaste por la abrasión de los polvos al estar en contacto entre sí, e impidan la generación de finos. Esto además asegura una alta resistencia a la compresión y a la presión de retorno. También es preferible que los adsorbentes sean insolubles al contacto con algunos solventes químicos y reactivos comunes, tales como alcohol, acetona, ácidos diluidos, etc. Algunas de las consideraciones más importantes de los adsorbentes, es que puedan soportar el desgaste a la filtración de fluidos hidráulicos y que posean alrededor del 70% de la porosidad total. (Pall et al, 1971). En el siguiente apartado se detallan las proporciones óptimas, así como, los resultados de las propiedades evaluadas de los adsorbentes granulares basados en PTP.
A continuación se presenta el análisis de las propiedades de los materiales antes y después de someterse a un procesamiento para ser aglomerados y formar adsorbentes cerámicos granulares de mayores dimensiones y de menores riesgos a la salud.
3.2
Conformado de cuerpos cerámicos
3.2.1
Selección del contenido de almidón y agua
Las pastas cerámicas extruídas en verde, se prepararon de acuerdo con la metodología reportada en el capitulo de metodología experimental, para adsorbentes en verde. En la literatura, se han reportado trabajos utilizando el almidón como un agente ligante y formador de poros hasta con un 70% de
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almidón (Lickfeldt y Ferreira, 1998 ). Sin embargo, en esta investigación se determinó fijar la cantidad de almidón de papa, en 50% (en peso), como máximo por dos razones: primero, porque se conservan propiedades mecánicas altas con este contenido y segundo, porque el porcentaje de contracción no es mayor al 50 %(volumen), después del tratamiento térmico aplicado a la temperatura de 1100º C y además no se obtienen materiales defectuosos. Por estas razones, en todos los experimentos realizados el contenido de almidón de papa, fue de 50% (peso). El peso total de los componentes sólidos en la mezcla, se constituyó como la relación de PTP y vidrio pyrex®:almidón = 1. La cantidad de agua introducida en el sistema para formar una pasta para conformado homogénea, fue seleccionada como el 60% (peso), basándose en las recomendaciones reportadas por Gregorová et al, 2007, como las óptimas, para producir materiales cerámicos con alta porosidad abierta.
En la figura 3.10, se muestran dos fotomicrografías MEB, donde se muestra el efecto del contenido de almidón (las partículas de almidón presentaron un color gris oscuro en las mezclas de las materias primas), sobre la estructura del cuerpo cerámico en verde obtenido. Una cantidad de almidón menor a 50%, no permite consolidar mediante un tratamiento térmico, el sistema de poros abiertos, mientras que para un contenido de 50 % la descomposición de almidón puede favorecerse.
Figura 3.10. Fotomicrografías-MEB (modo ambiental) de materiales cerámicos en verde, obtenidos por el proceso de extrusión, a) 10% de almidón de papa, 83.5% de PTP y 6.5% de vidrio Pyrex. Modo de electrones retrodispersados y b) muestra con 50% de almidón de papa, 43.5% de PTP y 6.5% de vidrio pyrex. El contenido de agua fue de 60%. Modo mezclado ambos en bajo vacío.
3.2.2
Selección del contenido de vidrio
PTP Almidón de Papa Vidrio Pyrex Vidrio Pyrex Almidón de Papa Almidón de Papa PTP
a
b
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Las proporciones óptimas entre el PTP y el vidrio pyrex, se seleccionaron basándose en datos de experimentos preliminares realizados para definir la cantidad mínima de vidrio necesaria para obtener una resistencia mecánica aceptable. En la figura 3.11, se muestran fotografías digitales de los cuerpos extruídos (en verde) de dimensiones de 1 cm de diámetro por 5 cm de largo. La primera etapa del tratamiento térmico de los cuerpos cerámicos preparados en verde fue realizada a la temperatura de 65 ºC durante 1 hora, con la finalidad de promover la expansión de los gránulos de almidón (Laurentin et al., 2003) y generar espacios en la matriz cerámica.
En esta investigación se aplicaron las siguientes composiciones de las mezclas de materias primas: