2.3.1.1 Descripción de las técnicas empleadas.
a) Determinación de la distribución de tamaño de partícula Técnica Láser
b) Análisis Químicos ICP
c) Microscopía electrónica de barrido. d) Difracción de rayos X
e) Análisis Térmicos.
f) Espectrometría infrarroja. g) Área Superficial.
h) Porosimetría de Intrusión de mercurio.
i) Determinaciones Fisicoquímicas: Resistencia Mecánica, Densidad y Durabilidad Química.
Los materiales de partida (polititanatos de potasio, almidón de papa y vidrio pyrex) así como los adsorbentes cerámicos (antes y después del proceso de adsorción) fueron caracterizados mediante diferentes técnicas experimentales con el objeto de conocer sus áreas superficiales, porosidad, morfología, propiedades mecánicas, propiedades de adsorción y microestructuras. Así, el área superficial y porosidad se estudiaron mediante adsorción física de gases (nitrógeno), porosimetría de intrusión de mercurio y difracción de rayos X. La morfología fue estudiada mediante microscopía electrónica de barrido (MEB). Además, el análisis químico de las muestras se realizó a partir de técnicas espectrofotométricas de análisis químico (ICP) y absorción atómica, así como mediante análisis térmico. Las propiedades mecánicas de las muestras se dedujeron a partir del estudio de las curvas esfuerzo compresión-deformación de los cuerpos formados por adsorbentes cerámicos basados en polititanatos de potasio.
Para la aplicación de estas técnicas a la caracterización de las muestras es necesario conocer las variables que tienen lugar, así como su fundamento. En este apartado se describirán las técnicas que se emplearon, desarrollando sus fundamentos teóricos, así como las teorías empleadas en el análisis de los resultados. Las técnicas usadas más convencionales se describirán con mayor brevedad.
2.3.1.2
Medición de la distribución del Tamaño de partícula. Técnica láser.Materiales y Métodos
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El análisis se efectuó utilizando un analizador de tamaño de partícula por dispersión láser marca Beckman Coulter modelo LS100Q, acoplado con un módulo líquido universal siguiendo el método ISO/DIN 13320-1. Para comprobar su funcionamiento se utilizó un estándar “G15 Garnet” que posee un tamaño promedio de partículas del orden de 15.96±1.80 μm con una desviación estándar de 8,03 ± 2,25 μm. El rango de tamaño de partículas observado en este equipo va desde 0,04 μm hasta 2000 μm. Dada la reactividad de los materiales de partida con el agua, se empleó, un medio anhidro, considerando el metanol apropiado para este fin.
2.3.1.3 Análisis Químico. Técnica de espectrofotometría ICP.
La técnica de análisis químico de espectrometría por ICP (Inductively Coupled Plasma) es un método espectro-fotométrico que se lleva a cabo en soluciones donde la muestra es atomizada, evaporada y excitada. Se utiliza un plasma de argón a alta temperatura que es utilizado para reducir efectos de la matriz, dando calibraciones en línea recta. La fuente de radiación emite luz policromática. Esto permite que muestras de bajo peso se analicen con un amplio rango de calibración, la capacidad de detección se lleva a cabo en límites de detección en partes por millón.
Las cinéticas de adsorción del Pb y Ni de soluciones acuosas se determinaron por espectrofotometría de emisión atómica ICP, en un equipo Thermoelemental Thermojarrel Ash, modelo Iris Intrepid II) determinando la longitud de onda de la luz emitida proporcional a la concentración de cada elemento. El espectrofotómetro se calibró con estándares certificados NIST. La metodología de medidas correspondió a la norma ASTM E 1097-07. Las longitudes de onda aplicadas para medidas analíticas del contenido de metales pesados fueron: Ni 232.0 nm, Pb 216.0 nm, Fe 248.3 nm, Cr 357.9, Mn 279.5, Cu 324.8 nm, Zn 213.9 nm.
2.3.1.4 Microscopía Óptica. Análisis de Imágenes.
Mediante la técnica de análisis de imágenes a partir de micrografías obtenidas por microscopía óptica, se realizaron mediciones de tamaño de partícula así como el % de porosidad de los cuerpos cerámicos. El tamaño promedio de partícula de los materiales de partida (PTP, almidón de papa y vidrio pyrex) se estudió en un analizador de imágenes marca Image Pro Plus adaptado a un microscopio óptico metalográfico convencional marca Olympus modelo Vanox HMT3. Todos los materiales se prepararon dispersando 10 mg de cada muestra en 2 mililitros de etanol grado reactivo analítico, posteriormente se trataron en un ultrasonido marca Beckman modelo 500 durante 30 minutos, al fin de este tiempo, se tomó una gota de cada muestra y las partículas dispersas en la
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gota se fijaron en portamuestras de vidrio. Las muestras ya fijadas se recubrieron con oro electrolítico, para mejorar las condiciones de observación en el microscopio. En la medición se tomaron 20 gránulos para el caso del almidón por campo en un total de 20 campos. Para todos los polvos la metodología fue la misma. Se tomaron 20 campos diferentes con un promedio de 20 partículas cada uno, para después realizar la medición con la ayuda del software Image Pro Plus. El tamaño de partícula de los PTP no se determinó por microscopia óptica. La medición se realizó por Microscopia Electrónica de Barrido.
2.3.1.5 Microscopia Electrónica de Barrido.
Las características estructurales y morfológicas de las muestras fueron tratadas en un microscopio electrónico de barrido marca Philips modelo XL- ESEM ambiental. Con sistema de espectrometría de energías dispersivas de rayos X, Marca EDAX, modelo: Pegassus
Las condiciones de operación fueron: distancia de trabajo de 39mm para análisis y desde 7.5 y hasta 10 mm para la toma de fotomicrografías, 20 kV de corriente eléctrica, además de un spot-size de 4.5. El modo de electrones retro-dispersados fue seleccionado para la toma de fotomicrografías y el de electrones secundarios para los análisis de EDS.
2.3.1.6 Difracción de rayos-X.
El seguimiento de las fases en los materiales de partida, sintetizados y sinterizados se realizó con esta técnica. El equipo empleado fue un difractómetro marca Philips modelo X`pert de geometría Bragg-Brentano, utilizando la radiación K del Cu y monocromador secundario (filtro de Ni) trabajando a 40 KV con rendijas de apertura y recepción grandes (1º,1º,1º, y 0.15º). Los registros se efectuaron de 5º a 80º, con un paso de 0.05º, y un tiempo de conteo de 5 s. La adquisición y el tratamiento de los datos se efectuaron utilizando el programa WinFit 2006.
2.3.1.7 Análisis Térmico.
El análisis térmico se llevó a cabo en un analizador marca Perkin Elmer modelo 1700. Se seleccionaron algunos materiales sin tratamiento térmico para su caracterización mediante esta técnica. Dicha técnica consiste en colocar de 50 a 100mg de muestra en una termobalanza, al someter la muestra a temperatura, los datos son procesado para obtener la curva donde se pueden observar los distintos eventos térmicos que sufre la muestra al ser tratada térmicamente. En este trabajo se pesaron 50 mg por cada muestra analizada en la termobalanza analítica. Los resultados por esta técnica indicaron que los
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rangos de temperaturas utilizadas deberían estar en el intervalo desde 800 hasta 1100° C, debido a que en este rango de temperaturas se presentan las transformaciones de fases composicionales de mayor importancia en esta investigación.
2.3.1.8 Espectrofotometría Infrarroja (IR).
Con el fin de caracterizar los materiales adsorbentes y sus tipos de enlaces previo y posterior al proceso de adsorción, se realizaron análisis por la técnica de Espectrofotometría Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR) de algunos materiales de estudio, usando un espectrofotómetro Perkin Elmer- 783. Para el análisis FTIR, se utilizaron discos de KBr, conteniendo 10mg de polvos cerámicos muy finos de materiales adsorbentes.
Mediante esta técnica se obtienen espectros que muestran una serie de bandas a diferentes longitudes de onda graficadas contra la absorbancia o transmitancia. Las longitudes de onda permiten identificar los enlaces o grupos funcionales presentes en las muestras. Por lo tanto, este análisis ayuda a determinar las estructuras y a estudiar las características de los enlaces de las muestras Los análisis de espectrometría IR se analizaron en un rango de 500 - 2500cm-1 medidos por el método de disco de KBr.
2.3.1.9 Área superficial específica y la isoterma de adsorción de gas
El área superficial específica y la isoterma de adsorción de nitrógeno se investigaron usando el equipo AUTOSORB-1 equipado con un procesador de datos AS1 Win Version 1.51 (Quantachrome Instruments).
Las medidas se realizaron en base al método Brunauer-Emmett-Teller (BET) que es el procedimiento mas ampliamente usado para la determinación del área superficial de materiales sólidos e involucra el uso de la ecuación BET
en donde W es el peso del gas adsorbido a una presión relativa, P/Po y Wm es el peso de adsorbato constituyendo una monocapa de cubierta superficial. El termino C, la constante BET C, se relacionan a la energía de adsorción en la
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primera capa adsorbida y consecuentemente su valor es una indicación de las interacciones de adsorbato/adsorbente.
2.3.1.10 Porosimetría de Mercurio
Una de las técnicas utilizadas para medir la meso y macroporosidad es la porosimetría de mercurio. Esta técnica permite conocer el volumen y la distribución de los poros mediante la determinación del volumen de mercurio introducido bajo presión, así como la densidad de la partícula. Cuando un sólido se sumerge en un líquido, que no moja su superficie, como es el mercurio, no puede entrar en los poros espontáneamente a no ser que se le suministre, cierta presión externa que provoque la entrada en estos. Cuanto menor sea el diámetro del poro, mayor deberá ser la presión que se haya de suministrar al líquido para que pueda penetrar en la porosidad.
El equipo experimental utilizado fue un porosímetro de Mercurio Quantachrome Autoscan 60. Los rangos de presión del equipo varían entre 0.003- 414 MPa. Las probetas utilizadas fueron de una geometría cilíndrica, con un tamaño de 8mm de diámetro por 5 cm de longitud. De esta técnica se puede obtener información del volumen de mercurio intruido y, por lo tanto la porosidad conectada. Además, se puede calcular la distribución de tamaño de poros derivando la curva acumulada de intrusión con respecto al radio. Si se considera que el sistema poroso está formado por poros tipo cámara, situados entre poros de tipo cilíndricos, la porosimetría de intrusión de mercurio proporciona principalmente información acerca de los poros tipo tubulares. Debido a la relevancia de este tipo de poros en los fenómenos de transporte de fluidos en el material y su durabilidad. En el presente trabajo se va a utilizar la caracterización del sistema poroso principalmente con porosimetría de mercurio. El intervalo de radio de poros, se puede determinar a partir de esta técnica y comprende medidas en poros desde 0.002 hasta 100μm.