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TRANSFORMACIÓN DE CO2 A PRODUCTOS QUÍMICOS ORGÁNICOS MEDIANTE REDUCCIÓN FOTOCATALÍTICA
Full text linkEl proceso de reducción de dióxido de carbono (CO2) a productos químicos de valor agregado está
siendo ampliamente estudiado a nivel mundial, mediante rutas estequiométricas, termoquímicas, electroquímicas, foto-electroquímicas, fotocatalíticas, entre otras. La finalidad principal es el aprovechamiento de las emisiones de CO2, las cuales se han asociado con el calentamiento global, así como la creación de fuentes de energías renovables y sustentables. Sin embargo, aún existen áreas por explorar con los beneficios mencionados. En cuanto a las rutas fotocatalíticas, los
esfuerzos de la comunidad científica se han dirigido principalmente al desarrollo de foto- catalizadores que permitan un mayor rendimiento fotónico, y existe poca investigación en cuanto al diseño del reactor para proporcionar mejores condiciones de trabajo para el foto-catalizador y
en consecuencia contribuir al incremento del rendimiento fotónico.
En este contexto, el presente proyecto de investigación se orientó a realizar la conversión de CO2 en productos químicos orgánicos de valor agregado tal como ácido fórmico empleando un reactor capilar; así como determinar el catalizador más selectivo entre TiO2 y Cu-TiO2 (4% de Cu). Para lograr este objetivo, se realizó la síntesis de polvos de TiO2 y Cu-TiO2 mediante el método sol-gel y la síntesis de películas delgadas de Cu-TiO2 sobre la superficie interna de capilares de cuarzo.
Se cuantificó el contenido de cobre en los catalizadores mediante absorción atómica. Se diseñó e instaló el reactor capilar foto-químico para realizar el estudio hidrodinámico del reactor, comprender el comportamiento de las especies de CO2 en solución durante el proceso de absorción en hidróxido de sodio 0.5M (NaOH 0.5M) y para llevar a cabo la transformación de CO2, y entonces dilucidar el efecto del tipo de catalizador, la concentración del catalizador, y la longitud
de onda en la selectividad de la foto-reducción del CO2 hacia ácido fórmico. Se logró obtener cantidades significativas de ácido fórmico (HCOOH) en el reactor capilar en tiempos cortos de reacción, consiguiendo 5187 μmol/gcat h de ácido fórmico al emplear 0.25 g/L del catalizador 4% Cu-TiO2, una solución 0.5 M de NaOH y una longitud de onda de 254 nm. Cada una de las
variables estudiadas tiene gran influencia en la formación del ácido fórmico.UAEM-La autora
Análisis multiescala de un reactor de lecho percolado para un proceso de hds mediante cfd
Full text linkEn este trabajo se presenta un análisis multiescala de un reactor de lecho percolado en el que tiene lugar una reacción de Hidrodesulfurización de gasóleo ligero y en donde la velocidad de reacción sigue una cinética heterogénea del tipo Langmuir/Hinshelwood Hougen/Watson (LHHW). Las escalas estudiadas fueron: (1) escala a nivel de poros en el catalizador, (2) escala a nivel de una partícula catalítica y (3) escala de un clúster de partículas catalíticas, representando al reactor. El estudio se llevó a cabo mediante la técnica de Computer Fluid Dynamics (CFD por sus siglas en inglés). En las diferentes escalas se tienen diversos objetivos de estudios: A escala poros se analizó el efecto de la microestructura de la red de poros en el comportamiento cinético, térmico y el factor de efectividad de un catalizador. A escala catalizador se analizó el efecto de la representación de geométrica de la microestructura de la red de poros en el pelle catalítico sobre los coeficientes efectivos de transporte y sobre el comportamiento cinético, térmico y el factor de efectividad de un catalizador. A escala de un conjunto de partículas catalíticas (Modelo representativo del Reactor) se estudió: (a) el efecto de la geometría del catalizador en el comportamiento hidrodinámico del Reactor de lecho escurrido (TBR por sus siglas en inglés) en donde dos fases fluidas interactúan con una fase sólida; (b) el efecto de los diferentes modelos de intercambio de momento entre fases sobre el comportamiento hidrodinámico del TBR; (c) el efecto de la geometría del catalizador y del modelo de intercambio de momento entre fases sobre el comportamiento hidrodinámico, cinético y térmico del TBR; y (d) el efecto de la representación geométrica de la microestructura de los poros del catalizador sobre el comportamiento cinético y térmico del TBR a través de los valores calculados de los coeficientes efectivos de transporte de energía y masa
Reactores capilares para fotosíntesis artificial
No full textLa aplicación de reactores capilares para la transformación de dióxido de carbono a compuestos orgánicos con valor comercial a través de un proceso de reducción en medio acuoso, asistido por luz UV (λ=254 nm) y un catalizador fue el objeto central de estudio de esta investigación. El proceso, también conocido como fotosíntesis artificial se efectuó bajo el régimen hidrodinámico de Taylor en donde el efecto del catalizador (TiO2) se estudió en películas y en suspensión. Los recubrimientos de TiO2 se prepararon mediante el método sol-gel empleando distintas relaciones volumétricas de los precursores isopropoxido de titanio, isopropanol y ácido nítrico. El TiO2 se depositó sobre la superficie interna de capilares de cuarzo (DI=0.3 cm) y la caracterización de la película resultante se realizó a través de espectroscopia Raman, microscopia electrónica de barrido y espectroscopia UV-Vis de reflectancia difusa. Se encontró que la formación de películas más homogéneas y transparentes se obtiene con un mayor grado de dilución de los precursores. La fase cristalina anatasa fue identificada independientemente de las condiciones de síntesis. La actividad fotocatalítica de los recubrimientos se verificó en una reacción de oxidación (degradación de ácido 2-dihidroxibenzoico con O2) y en la reacción de reducción del CO2. En la reacción de oxidación, las variables de respuesta fueron la disminución en la concentración del ácido, el grado de mineralización y la concentración de los intermediarios de reacción. Se concluyó que el recubrimiento que ofrece el mejor desempeño fotocatalítico es aquel preparado con una relación volumétrica de precursores igual a 1:15:1 con dos ciclos de recubrimiento. Los subproductos de reacción identificados por HPLC fueron los ácidos 2,3 y 2,5-dihidroxibenzoicos encontrándose que su formación ocurre en ruta paralela y que son compuestos persistentes a su degradación. Estas condiciones de síntesis se emplearon para llevar a cabo la reducción de CO2. Con respecto a esta etapa, se condujo la reacción de reducción de CO2 con distintos agentes reductores y siendo catalizada por TiO2 bajo irradiación UV. Se verificó el efecto del agente reductor, la configuración del reactor y del catalizador. La reacción de foto-reducción se favoreció al ser efectuada en medio alcalino y catalizada por suspensiones de TiO2. Se identificaron cualitativamente como productos de reacción en la fase líquida al metanol, etanol y al formaldehído. Se modificó el sistema de reacción adicionando un paso de tratamiento fotoquímico del CO2 previo a incorporarse al reactor capilar para su transformación a compuestos orgánicos encontrando que esta modificación alteró considerablemente la selectividad del proceso. Adicionalmente el proceso fue catalizado por los siguientes materiales: TiO2:Ni, TiO2:F, TiO2:F:Pt y Cu2O depositado sobre grafeno. En todos los casos la producción de compuestos orgánicos fue superior a la alcanzada cuando el proceso fue catalizado únicamente por TiO2. De esta forma fue verificado el uso de reactores capilares en la reacción fotocatalítica de oxidación de ácido 2-DHBA y en el proceso de reducción de CO2.PRODEP 103.5/13/525
Transesterificación de triglicéridos en una columna de contacto líquido-líquido
No full textObjetivo General. Establecer el porcentaje de ésteres metílicos obtenidos mediante la transesterificación de un aceite vegetal en presencia de un catalizador heterogéneo y en una Columna de contacto líquido-líquido-sólido (DLCR), adaptada como reactor con el fin de disminuir la resistencia a la transferencia de masa líquido-líquido-sólido. Objetivos Específicos. Determinar si la cal viva calcinada presenta actividad catalítica igual o superior al CaO grado reactivo en la transesterificación de un aceite vegetal. Establecer el tipo de aceite, entre cártamo y canola, que favorece la producción de ésteres metílicos. Determinar las condiciones de reacción en las cuales se obtiene un mayor porcentaje de ésteres metílicos en un reactor de tanque agitado. Determinar las condiciones de reacción en las cuales se obtiene un mayor porcentaje de ésteres metílicos en una columna de contacto líquido-líquido-sólido. Establecer el modelo cinético que mejor represente la transesterificación del aceite vegetal estudiado. El presente trabajo comprende 4 capítulos principales, además de una sección de referencias y una de anexos. En el primer capítulo se detallan los antecedentes que no solamente ayudan a justificar la realización del presente trabajo sino también a comprenderlo y a discutir los resultados obtenidos. En el capítulo 2 se detalla la metodología para lograr los objetivos arriba planteados. Los resultados obtenidos se presentan y discuten en el capítulo 3 y las conclusiones en el capítulo 4. Las referencias empleadas se presentan en la penúltima sección de este trabajo. Finalmente, en el apartado de anexos se incluyen datos importantes empleados para los cálculos realizados, principalmente. También se incluyen ejemplos representativos de resultados que no se incluyen en el capítulo 3 como cromatogramas. Para mejor comprensión del presente trabajo también se incluye un glosario y finalmente se presenta constancia de presentación de resultados en un congreso internacional y la evidencia de un artículo publicado en una revista indizada.The relevance in recent years for the minimization of polluting gases and the search for alternative energy sources apart from oil, has led research in various forms of renewable energy including power generated by wind, hydro, solar, biomass and biofuels; and among them biodiesel. Despite extensive research related to the production of biodiesel, there are some issues that desserve to be addressed from the point of view of engineering, especially in the efficiency of mass transfer between the two organic phases (methanol and oil), which plays a critical role during transesterification and thereby controls the rate of reaction in the initial stage, and the use of heterogeneous catalysts which allows an easy and less expensive separation of the product. This thesis aims at studying the efficiency of a cocurrent downflow bubble column as a liquid-liquid contactor reactor in order to carry out the transesterification reaction of canola oil to biodiesel using heterogenous catalysis. The reactor provides great potential for chemical reactions that are limited by mass transfer and has several advantages over typical reactors used for transesterification. At the reactor inlet a high speed liquid flow is produced by venturi effect and this results in a vigorous agitation system with high shear and energy. This high mixing intensity allowed the production of biodiesel according to EN14214 (content greater than or equal of esters ≥ 96.5%), obtaining a 97% of esters in a time of 300 min at a temperature of 50 °C, using CaO from a rather low cost source (quicklime) as heterogeneous catalyst, with a catalyst loading of 8 % (w/w with respect to the reaction mixture oil-methanol), an oil : methanol molar ratio of 1 : 9. In order to understand the effect of the process variables the reaction was also studied in a batch reactor. The studied variables were reagents addition order, methanol quality, methanol-oil molar ratio, amount of catalyst, temperature dependence, type of catalyst and a reaction kinetic model was established. In general there is a minimal difference in the rate of reaction profiles between the lab scale STR and the pilot scale contactor column; beside the desearible content of FAME’s (97% EN14214) was achieve in both reactors after 300 min of reaction. It is worth to be mentioned that the reaction volume in the liquid-liquid contactor was about 24 times higher than the STR volume.proyecto 3685/2014 y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo financiero y la formación académica a trasvés de la beca No. 383423, así como a la beca mixta para realizar estancias de investigación en Alemania con número (CVU/Becario): 627380/328718.Proyecto UAEM 3685/201
Degradación de AINES mediante foto-fenton
No full textEn el presente trabajo se estudió a escala laboratorio la degradación de un efluente proveniente de una industria farmacéutica que produce antinflamatorios no esteroideos por medio del proceso Foto-Fenton catalizado con arcillas pilareadas con Fe (FePILCs) teniendo como ventaja la recuperación y reuso del catalizador. La síntesis del catalizador se realizó mediante intercambio iónico utilizando una relación molar de OH/Fe de 2, el proceso de secado fue a 75 °C durante dos horas y la calcinación fue a 400 °C por 2 horas. Las Fe-PILCs se caracterizaron mediante Difracción de Rayos-X (DRX), Espectrofotometría de Absorción Atómica (AAS), Fisisorción de Nitrógeno (BET), Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS) y Microscopia Electrónica de Barrido (MEB), el análisis por DRX confirmo el proceso de pilareamiento y con el espectro de XPS se identificó la presencia de Fe2+ . Para poder determinar las mejores condiciones de mineralización se estudiaron las siguientes variables: 1) la concentración de peróxido de hidrógeno, 2) concentración de arcilla, 3) el pH y 4) la concentración inicial de Carbono Orgánico Total (COT) del efluente a tratar. El grado de mineralización del efluente industrial se determinó mediante mediciones de COT. Los resultados obtenidos en esta investigación indican que el empleo de arcillas pilaraeadas con hierro sirven como catalizador en el proceso Foto-Fenton y además permiten llevarlo a cabo sin necesidad de adicionar químicos para el ajuste de pH. Con respecto a la degradación del efluente farmacéutico las condiciones óptimas fueron las siguientes: una concentración de Fe-PILCs de 0.6g/L, concentración estequiométrica de H2O2 con respecto al COT inicial del efluente y un valor de pH del efluente de 4.28 con temperatura y agitación constante (28-30 °C y 800 rpm), obteniéndose un 28% de mineralización después de tres horas de reacción.PRODE
Electro-oxidacion de fenol en una columna de burbujeo de flujo paralelo descendente
Full text linkTESIS DOCTORALIn the context of water remediation, advanced oxidation processes have been proven to be an effective solution. In most of the cases, however, the reaction systems are usually highly expensive, because of the addition of chemical substances or energy consumption. This usually constrains their application at an industrial scale. This has motivated several researchers to develop technologies able not only to intensify the processes but able also to increase the sustainability of the whole process. In this sense, this work aimed to assess a relatively novel technology, a Downflow Bubble Column Electrochemical Reactor (DBCER), in the mineralization of a rather typical organic pollutant, phenol. The studied variables were: current density (20-60 mA/cm2), electrolyte concentration (0-0.01 M), recirculation of the liquid phase (4.7 and 6 L/min) and pH (3 and 7). The response variables were total organic carbon (TOC), phenol and by-products concentration, oxidant species concentration (O2, H2O2 and O3). Some hydrodynamic parameters and volumetric mass transfer coefficient were also determined, such as the bubble diameter and volume fraction of gas. The highest mineralization degree was around 75 % under pH 3, 60 mA/cm2, 4.7 L/min and an electrolyte concentration of 0.05 M. Under these conditions, it was figured out that the phenol oxidation occurs mainly by ozone attack and the main remaining compound was oxalic acid. Although at pH 7 the mineralization degree was lower than at pH 3, it was demonstrated by a biotoxicity study on Cyprinus carpio that the original toxicity was significantly decreased. Thus, it was demonstrated that the DBCER can be applied at a pre-pilot scale, in the electro-oxidation process, in which in-situ generation of O2, H2O2 and O3. Because of the unique design of this reactor, the electrogenerated gases can be better utilized than in other reactors. An application to intellectually protect the developed technology was submitted to IMPI and the number of the application is Mx/a/2017/012722.CONACYT 168305 Y 26909
EFECTO DEL FLÚOR Y PLATINO EN LA FOTO-OXIDACIÓN DE GLICEROL CATALIZADA CON TIO2
No full textEsta tesis es producto de una colaboración internacional con la Universidad Pedagógica Tecnológica de Colombia.El glicerol crudo es un subproducto importante obtenido en la producción del biodiesel generado a partir de distintas materias primas como pueden ser grasas animales y aceites vegetales. Con el fin de extender los usos que se le puedan dar al glicerol, se han realizado estudios en los cuales se llevan a cabo diferentes reacciones con el propósito de transformar al glicerol en productos químicos de alto valor agregado.
El objetivo de este trabajo fue determinar los efectos del dopaje del óxido de titanio (TiO2) con Flúor (F) y Platino (Pt) sobre la reacción de foto-oxidación de glicerol, orientada principalmente a la obtención de productos como el gliceraldehído o dihidroxiacetona, evitando que en esta reacción se alcance la mineralización. Para evaluar el efecto de dicho dopaje, se hizo uso de los catalizadores de F-TiO2 y Pt-F-TiO2, los cuales fueron sintetizados por el grupo de Catálisis de la Universidad Pedagógica Tecnológica de Colombia. La reacción de foto-oxidación de glicerol se llevó a cabo en un reactor cilíndrico de vidrio tipo batch, provisto de una fuente de irradiación ubicada en el centro del mismo. Dicha lámpara tiene una potencia de 8 W y emite radiación principalmente de 254 nm. Las variables estudiadas para la reacción de foto-oxidación fueron masa de catalizador, temperatura y flujo de oxígeno, obteniéndose como variables de respuesta la concentración de gliceraldehído y contenido de carbono orgánico total (TOC). La primera se determinó mediante espectrofotometría en el equipo Hach DR 5000 UV-Vis y la segunda en un equipo SHIMADZU TOC-L. Así mismo se llevó a cabo un análisis por cromatografía en capa fina y por espectroscopia infrarroja, con el fin de identificar con mayor certeza los productos de interés.
A partir de los análisis realizados se determinó que de los productos de interés, el gliceraldehído es el único que se forma durante la reacción de foto-oxidación de glicerol. Se concluyó que la adición de Pt y F al catalizador de TiO2, favorece la formación de gliceraldehído en la reacción de foto-oxidación de glicerol, así mismo se encontró que de las variables estudiadas, la temperatura tiene mayor efecto positivo en la formación de gliceraldehído y que la inyección de oxígeno no es recomendable ya que conduce a la pronta degradación de los productos de interés. Por último, se concluyó que el catalizador Pt-F-TiO2 es el más eficiente en la formación de gliceraldehído, en la reacción de foto oxidación de glicerol.
Los alcances mostrados en esta tesis son la suma de esfuerzos de los grupos de investigación participantes, contando entre ellos el grupo de Ingeniería del Centro Conjunto de Investigación en Química Sustentable, así como algunos grupos de apoyo dentro del mismo centro, y el grupo de Catálisis de la Universidad Pedagógica Tecnológica de Colombia.Proyecto internacional Fondo Semilla 3892/2015F
Foto-oxidación catalítica de glicerol
No full textEl presente trabajo de investigación tuvo como objetivo general determinar la factibilidad de oxidar selectivamente al glicerol en condiciones atmosféricas. Para ello se empleó un Reactor Foto-Catalítico Anular con Chaqueta (ReFoCAC) equipado con un agitador, una bomba de recirculación y una lámpara UV de 8 W y 254 nm de longitud de onda. Las variables que se investigaron son: concentración inicial de glicerol, la masa del catalizador, el tiempo de irradiación, flujo volumétrico de oxígeno, temperatura del medio de reacción y el pH durante el tiempo de reacción. El catalizador empleado fue el dióxido de Titanio (TiO2 – Degussa P25). Las variables de respuesta que se obtuvieron fueron: el contenido de carbono orgánico total (COT) y la concentración del producto de reacción (gliceraldehído).
Se diseñó y construyó el reactor ReFoCAC con una relación específica de 20:1 entre la altura “libre” de volumen de reacción y el ánulo del reactor. Se determinó la agitación óptima con la para distribuir de manera más eficiente tanto reactivos como productos. Se estudió y se determinó el producto de reacción: el gliceraldehído. Para ello se realizaron análisis tanto cualitativos como cuantitativos utilizando las técnicas de espectroscopia en el infrarrojo y espectroscopia UV-Vis. Una vez realizados dichos análisis se prosiguió al estudio de las variables y su comportamiento, determinando los rangos de operación para la obtención de un máximo en la concentración del producto de reacción. Se estudió la reacción de foto-oxidación catalítica de glicerol mediante el efecto de la masa del catalizador de TiO2 en proporciones de 0, 5, 10, 20, 30, 50 mg por cada 100 ml de solución reactante. Se realizaron experimentos variando la temperatura (11, 25, 30 y 43°C ) del medio de reacción. El efecto del flujo volumétrico de oxígeno se estudió en el rango de 20 - 200 ml /min. Se concluyó que esta variable favorece la mineralización del glicerol y por lo tanto no es conveniente realizar el proceso con oxígeno. La concentración inicial del glicerol se varió en el rango de 50-500 mM.
A partir de los resultados obtenidos se concluyó que es factible la utilización del reactor ReFoCAC para el estudio de las variables de reacción así como también la obtención de subproductos económicamente viables, como lo es el gliceraldehído. A pesar de que se utilizó el glicerol grado reactivo, se comprobó la posibilidad de re-utilizar dicho producto, que por lo general en la actualidad está siendo obtenido posterior a la transesterificación de ácidos grasos para la obtención del Biodiesel.Proyecto Internacional Semilla UAEM 3892/2015F
Conversión de dióxido de carbono (CO2) a productos químicos de valor agregado mediante reducción electroquímica
Full text linkEl dióxido de carbono (CO2) es el último de los subproductos en todos los procesos que implican la oxidación completa o la combustión de cualquier materia orgánica carbonácea, es por ello, que, ante la elevada cantidad de fuentes energéticas de origen fósil, actualmente se considera al CO2 como ambientalmente dañino. Ante este panorama, se torna fundamental re-valorizar al dióxido de carbono, pues representa una fuente potencial como materia prima o fuente de carbono para la obtención de productos químicos de valor agregado. En este contexto, la reducción electroquímica del CO2 representa una alternativa atractiva ya que tiene numerosas ventajas sobre las tecnologías actuales de conversión molecular de este compuesto químico.
La eficiencia de la reducción electroquímica del CO2 depende en gran medida la actividad y la selectividad del electrocatalizador catódico, por lo que los electrocatalizadores adecuados son necesarios para promover las reacciones químicas de la electrosíntesis. Por tanto, un punto clave para la reducción electroquímica del CO2, consiste en la selección del electrocatalizador.
En este trabajo se preparó un catalizador bimetálico de plata-cobre (Ag-Cu) y se estableció su eficiencia faradaica en la conversión de CO2 a productos de valor agregado como metanol, ácido acético y ácido fórmico en función de la cantidad de cobre depositada. La modificación fue realizada sobre una lámina de Ag (1 mm de grosor, 2 cm2 de área superficial y 99.9 % de pureza), el electrolito de depósito fue preparado a partir de una solución 1.0 M de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4·5H2O 99.8 %). La modificación superficial del electrodo bimetálico fue realizada mediante electrólisis a potencial controlado (-520 mV vs el electrodo de Ag/AgCl) a tres tiempos diferentes programados: 5, 10 y 15 min. Los electrodos bimetálicos obtenidos fueron caracterizados mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). Estos electrodos fueron empleados como catalizadores para la reducción electroquímica del CO2 en medio acuoso; los productos químicos de reacción fueron determinados mediante HPLC-IR, las eficiencias faradaicas máximas determinadas para los productos de reacción fueron: 16 % para el metanol, 59 % para el ácido fórmico y 45 % para el ácido acético. El contenido de cobre se relaciona directamente con la eficiencia faradaica hacia metanol e inversamente con la eficiencia faradaica hacia ácido fórmico y ácido acético.CONACYT 26909
Degradación de fenol, Espectrofotometría UV-Vis, HPLC, Proceso de Acoplado, Ozono y compuestos Alifáticos
No full textEn este sentido, se concluyó que el ozono por sí sólo mineraliza sólo parcialmente la molécula de fenol y sobre todo conduce a la formación de compuestos alifáticos.La degradación de fenol se estudió en tres ambientes químicos, ozonización, electro-oxidación, y un proceso de ozono-electro-oxidación acoplada. La concentración de compuesto original se estableció por espectrofotometría UV-Vis mientras que los subproductos se identificaron por HOLC. Esto permitió proponer un mecanismo de la oxidación de fenol durante el proceso de acoplado
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