Adsorción de hidrocarburos y óxidos de carbono en materiales silicoaluminados microporosos

Abstract

Esta tesis contribuye al entendimiento de geometrías, energías de interacción y capacidad de adsorción de químicos volátiles como lo son el tolueno y el CO2 en las zeolitas. Para ello se trabajó desde la teoría con el modelado de la mordenita MOR, una serie de 4 estructuras de mordenitas sódicas NaMOR con estequiometría Na+8 [Al8Si40O96]MOR con diferentes sitios de ocupación para cationes. Una vez obtenida la NaMOR más estable energéticamente se fueron generando otras estructuras reemplazando secuencialmente contraiones de Na+ por Cs+ dando lugar a 4 zeolitas con diferentes concentraciones, es decir, CsxNa1-xMORcon (x=0.25, 0.50, 0.75, 1.00). Los cálculos se basaron en técnicas de la teoría de la funcional densidad (DFT) utilizando el código FIREBALL e implementando las aproximaciones LDA y GGA. Se presentan el volumen óptimo a través de la energía total por celda primitiva por cada aproximación. Se describe un estudio computacional del tolueno como adsorbato en diferentes orientaciones dentro del canal principal MC de la zeolita, que proporcionaron un análisis detallado de la naturaleza del enlace químico aromático-cation dentro de la mordenita, densidad de estados, densidad de carga, energías de adsorción que incluyen la corrección de energía dispersiva o corrección van der Waals y modos vibracionales.De forma experimental, se prepararon mordenitas intercambiadas con cesio y sodio a partir de una zeolita comercial. Empleando diversas técnicas de caracterización se evaluaron propiedades fisicoquímicas, texturales y estructurales. En este sentido por medio de la adsorción-desorción de N2 a 77 K se midió el área superficial y volumen de poro de cada material. Por medio de medidas calorimétricas (DSC) se analizó la energía puesta en juego. Finalmente mediante Espectroscopía de Infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) se estudió la naturaleza de la adsorción del tolueno. Se ha encontrado en los espectros IR, asícomo en los cálculos de los modos vibracionales, el corrimiento a menores número de onda del estiramiento fuerte del doble enlace del anillo aromático del tolueno adsorbido con respecto a su fase gaseosa. Las mediciones de DSC se realizaron para diferentes cantidades de tolueno incorporadas en dos mordenitas, una de ellas con solo contraiones de Na+ y la otra con un 7% de sustitución por Cs+. La técnica proporciona la energía de desorción y los resultados indican que en principio la incorporación de Cs mejora la capacidad de adsorción de la zeolita.Se encontró que la mayoría de las situaciones de adsorción ocurren cuando los electrones del anillo aromático pueden interactuar con los contraiones dentro del canal principal. Los resultados obtenidos arrojaron que la CsxNa1-xMOR con x=0.25 es la mejor proporción de intercambio para adsorberse el tolueno. Para mayores concentraciones de cesio debido al impedimento estérico de los cationes, la molécula ve limitado su acceso dentro del canal principal haciendo que la adsorción sea cada vez más débil. Por otra parte, al considerar la corrección de energía dispersiva no se modifica la física básica del proceso de adsorción,aunque si cambia los valores absolutos de las energías de interacción.En el caso de la adsorción de CO2, se agregaron cinco moléculas dentro del canal principal de la MOR intercambiada con sodio y cesio. Se utilizó la misma estrategia de cálculo que en el caso del tolueno para calcular la geometría óptima y las energías de adsorción para las misma mordenitas CsxNa1-xMOR. Se obtuvo que el dopaje x=0.25 favorece de mejor forma la adsorción de CO2. También se observó que al aumentar la concentración de cesio se produce una migración de moléculas de CO2 desde el canal principal al canal secundario de ocho miembros, al mismo tiempo que ocurre una reorganización de cationes, los cationes de cesio que se encuentran dentro del canal principal se alinean a lo largo del eje c del canal.Por otra parte, los experimentos de FTIR junto con las simulaciones de los modos vibratorios aplicados a la adsorción del dióxido de carbono permiten identificar cada una de las vibraciones en el espectro. Se pudo asignar los picos principales del espectro de la molécula adsorbida con la formación de estructuras lineales de Cs+?O-C-O, vibraciones de los oxígenos de los estructura con los cationes intercambiables, así como los modos propios del CO2 puro.El análisis de estos resultados nos acercan a funcionalizar correctamente las zeolitas y mejorar sus propiedades de adsorción para fines específicos como son las trampas de hidrocarburos, o en la captura de CO2 materiales muy frecuentemente usados en la eliminación de contaminantes gaseosos.