Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

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Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos para tratamiento de gases y material particulado de las emisiones de motores diesel Castaño Andrade J.L. Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia RESUMEN: La deposición de hematita (Fe2O3) y titania (TiO2) en espumas cerámicas (soporte) fue estudiada empleando dos diferentes técnicas de recubrimiento: síntesis de Fe2O3 empleando urea y deposición de polvos nanométricos de TiO2. Estas mismas técnicas se emplearon sobre otro tipo de soporte (cintas cerámicas), junto con la deposición química en fase vapor con filamento caliente (HFCVD) de WO3. Con ésta técnica se obtuvieron mejores resultados morfológicos en los recubrimientos realizados. Sin embargo, las cintas cerámicas al tener microporosidades no resultaron aptas para funcionar como medio de filtración de emisiones de motores diesel, razón por la cual se seleccionaron las espumas como soporte cerámico a trabajar. Realizando variaciones (2 niveles) de las dos técnicas de recubrimiento estudiadas, se obtuvieron los prototipos a ser evaluados. Los resultados morfológicos y químicos, revelan que las espumas funcionalizadas con hematita y titania lograron disminuir la temperatura de oxidación de material particulado aproximadamente 100 °C. 1. INTRODUCCIÓN Una de las principales problemáticas actuales a nivel mundial es la contaminación del aire. Esta ha incrementado al mismo tiempo que los procesos que incluyen reacciones de combustión, en especial el uso de motores diesel, lo que causa la emisión de gases contaminantes y, por consiguiente altas concentraciones de polución y material particulado (PM). Lo anterior genera graves problemas de salud en los humanos y contaminación ambiental. El material particulado entra por las vías respiratorias y llega a los pulmones en donde causa diversas deficiencias respiratorias, irritaciones, asma y cáncer. Específicamente el PM 10 emitido por motores diésel es catalogado como un material cancerígeno, que incorpora compuestos que producen mutaciones en el ADN, células y tejidos. Actualmente según la Organización Mundial de la Salud se afirma que la inhalación de PM 10 es responsable de 500.000 muertes anuales. [1] En Colombia, y específicamente en Bogotá, hay concentraciones alarmantes de material particulado (PM 10 ) en el aire. Desde el año 2007 esta concentración ha disminuido de 75 a 55 μg/m 3 [2] pero aun así la población infantil y los adultos mayores se ven afectados, ya que pueden entrar al tracto respiratorio y causar enfermedades pulmonares severas [3]. La norma colombiana ha tratado de disminuir los límites de emisiones permisibles a 50 μg/m 3 , sin embargo esto solo ha sido posible en las principales ciudades del país [4] . Por lo anterior se han desarrollado soportes cerámicos que actúan como filtros de las emisiones contaminantes de vehículos con motores diesel. Comercialmente se encuentran dos tipos de filtros, el primero es

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Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos para tratamiento

de gases y material particulado de las emisiones de motores diesel

Castaño Andrade J.L.

Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia

RESUMEN: La deposición de hematita (Fe2O3) y titania (TiO2) en espumas cerámicas (soporte) fue

estudiada empleando dos diferentes técnicas de recubrimiento: síntesis de Fe2O3 empleando urea

y deposición de polvos nanométricos de TiO2. Estas mismas técnicas se emplearon sobre otro tipo

de soporte (cintas cerámicas), junto con la deposición química en fase vapor con filamento

caliente (HFCVD) de WO3. Con ésta técnica se obtuvieron mejores resultados morfológicos en los

recubrimientos realizados. Sin embargo, las cintas cerámicas al tener microporosidades no

resultaron aptas para funcionar como medio de filtración de emisiones de motores diesel, razón

por la cual se seleccionaron las espumas como soporte cerámico a trabajar. Realizando variaciones

(2 niveles) de las dos técnicas de recubrimiento estudiadas, se obtuvieron los prototipos a ser

evaluados. Los resultados morfológicos y químicos, revelan que las espumas funcionalizadas con

hematita y titania lograron disminuir la temperatura de oxidación de material particulado

aproximadamente 100 °C.

1. INTRODUCCIÓN

Una de las principales problemáticas actuales

a nivel mundial es la contaminación del aire.

Esta ha incrementado al mismo tiempo que

los procesos que incluyen reacciones de

combustión, en especial el uso de motores

diesel, lo que causa la emisión de gases

contaminantes y, por consiguiente altas

concentraciones de polución y material

particulado (PM). Lo anterior genera graves

problemas de salud en los humanos y

contaminación ambiental.

El material particulado entra por las vías

respiratorias y llega a los pulmones en donde

causa diversas deficiencias respiratorias,

irritaciones, asma y cáncer. Específicamente

el PM10 emitido por motores diésel es

catalogado como un material cancerígeno,

que incorpora compuestos que producen

mutaciones en el ADN, células y tejidos.

Actualmente según la Organización Mundial

de la Salud se afirma que la inhalación de

PM10 es responsable de 500.000 muertes

anuales. [1]

En Colombia, y específicamente en Bogotá,

hay concentraciones alarmantes de material

particulado (PM10) en el aire. Desde el año

2007 esta concentración ha disminuido de

75 a 55 µg/m3 [2] pero aun así la población

infantil y los adultos mayores se ven

afectados, ya que pueden entrar al tracto

respiratorio y causar enfermedades

pulmonares severas [3]. La norma

colombiana ha tratado de disminuir los

límites de emisiones permisibles a 50 µg/m3,

sin embargo esto solo ha sido posible en las

principales ciudades del país [4] .

Por lo anterior se han desarrollado soportes

cerámicos que actúan como filtros de las

emisiones contaminantes de vehículos con

motores diesel. Comercialmente se

encuentran dos tipos de filtros, el primero es

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el sistema PSA que fue desarrollado por

Peugeot-Citroën y el segundo es el sistema

CRT desarrollado por Jhonson Matthey. Estos

cuentan con etapas de catálisis previas a la

operación de filtración y adición de aditivos

en el combustible, los catalizadores son

compuestos metálicos que se desactivan con

la presencia de azufre [5] [6].

Con base en lo anterior existen filtros

desarrollados con cerio, platino, vanadio y

cobre, que disminuyen la temperatura de

oxidación del hollín de 625 °C hasta 450 °C

aproximadamente [7] [8]. Estos se

envenenan y desactivan con facilidad, por lo

que el estudio de óxidos metálicos como

catalizadores se convierte en un área de gran

interés. Óxidos de hierro, cobre, cromo,

molibdeno y vanadio han logrado reducir la

temperatura de oxidación por debajo de 425

°C [7]

En consecuencia, este proyecto busca

fabricar, funcionalizar y probar sistemas que

puedan servir como filtros catalíticos para el

tratamiento de emisiones de motores diésel.

Con la funcionalización de los soportes se

pretende depositar óxidos metálicos

formando nanoestructuras que aumenten el

área superficial de los soportes y, en

consecuencia la retención del material

particulado. Así mismo podrían contribuir a

catalizar las reacciones de oxidación de los

gases emitidos, tales como óxidos de

nitrógeno y azufre, y del material particulado

(hollín).

Estos podrían ser parte de la solución a los

problemas de salud pública y contaminación

ambiental, así como también podrían dejar

atrás las complicaciones en la

implementación de los sistemas comerciales

actuales, convirtiéndose en un tema de

estudio de gran interés.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Manufactura de cintas

En la Tabla 1 se muestran las materias primas

empleadas para el desarrollo de la

suspensión cerámica precursora de las

cintas, por la técnica de tape casting acuoso.

Tabla 1. Materiales de manufactura cintas cerámicas

[9].

Material Wt%

Polvo cerámico Al2O3 (Panadyne MR-70 d50=0.5-0.7µm)

55

Agua destilada 16.5 Ligante acrílico (Mowilith) 25 Dispersante (Darvan CN) 1 Surfactante (Cocoamida) 1 Alcohol isopropilico 1 Antiespumante (Sigma A) 0.5

Para obtener algunas muestras porosas se

adicionó un agente formador de poros,

harina de maíz, la cantidad de ésta

corresponde al 10% de la cantidad de

alúmina.

Finalmente, las cintas, se sometieron a un

tratamiento térmico de eliminación de

aditivos y sinterización de la alúmina, éste

será explicado posteriormente.

Manufactura de espumas

El desarrollo de las espumas cerámicas de 20

ppi se realizó con base a metodologías

desarrolladas previamente mediante el

método de réplica [10].

En la Tabla 2, se muestran los materiales

empleados. Estos se deben mezclar en un

molino de bolas planetario durante 10

minutos, para posteriormente impregnar

Page 3: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

espumas precursoras de poliuretano de 20

ppi y ser tratadas térmicamente. En este

último proceso se emplearon dos tipos de

horno (1200-220, Abarephor - 3H17HT3x27,

MHI) con el fin de lograr la degradación de la

espuma precursora y la sinterización de la

alúmina.

Tabla 2. Materiales manufactura espumas cerámicas

[10]

Material Wt%

Polvo cerámico Al2O3 (Alcoa A1) d50=2.57µm

60

Agua destilada 34 Ligante acrílico WB4101 5 Dispersante Darvan CN 1

Con el fin de mejorar la resistencia mecánica

de las espumas, se sometieron a un proceso

de doble impregnación, es decir que

posterior al proceso de impregnación de

espumas precursoras de poliurentano, éstas

se dejaron secar durante 24 horas y,

finalmente se sometieron a una segunda

impregnación de alúmina.

Durante la segunda impregnación, se

sumergieron las espumas en una suspensión

cerámica con las mismas características de la

primera. Posteriormente, se sometieron a un

proceso de soplado con una pistola de aire

comprimido, a una distancia de 7 cm de la

espuma con una presión de 10 psi.

Finalmente, las espumas se dejaron secar por

24 horas y se sometieron a los tratamientos

térmicos mencionados anteriormente.

Se realizaron ensayos de compresión sobre

estas espumas, empleando la máquina

Instron serie 3367. Lo anterior, con base en

protocolos estudiados previamente [16] y las

normas ASTM D695-ASTM C1424.

Con estas pruebas se logró determinar que la

resistencia mecánica de las espumas es de

aproximadamente 0.25 MPa, éste valor se

seleccionó con base en protocolos realizados

previamente para la caracterización

mecánica de espumas [16].

Con este proceso se logró aumentar los

valores reportados en la literatura para

espumas de alúmina de 20 ppi [10] [11]. Por

lo anterior, se siguió empleando esta técnica

para la manufactura de los soportes

cerámicos.

Funcionalización de cintas

Como tratamiento de limpieza previo a la

funcionalización se trataron térmicamente

las cintas (125 °C durante 5 horas).

Posteriormente, se almacenaron en un

desecador para mantenerlas aisladas de

posibles agentes contaminantes.

Las cintas se funcionalizaron con tres tipos

de óxidos metálicos (WO3, Fe2O3, TiO2). El

trióxido de tungsteno se depositó

empleando el reactor HFCVD (Hot Filament

Chemical Vapor Deposition) (L3) [10].

Para esto, se contó con un filamento de 66

cm de tungsteno que fue calentado con un

voltaje de 12 V y una corriente de 9.5 A, el

proceso se realizó a una presión de 1 mbar

durante 5 minutos, la distancia entre la

lámina y el filamento fue de 5 cm.

La deposición de la hematita (Fe2O3) se

realizó con base en el procedimiento reporta

por Mulmudi et al [11] [12].Las

nanopartículas de hematita fueron

preparadas con soluciones 0.3M de FeCl3 y

0.3M de urea (NH2CONH2) en frascos Schott

de 25 mL. Se prepararon soluciones de 20 mL

con relación del volumen urea/FeCl3 de 3, en

Page 4: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

la Figura 1 (a) se muestra el montaje

experimental realizado (L2).

Figura 1. Montajes experimentales (a) deposición de

hematita, (b) deposición de titania.

En la Figura 2 (b), se muestra en montaje

experimental de la deposición de titania

(TiO2). Para esto se siguió el proceso descrito

por Khataee y Mansoori [13]. Se preparó una

solución de 1.5 g de polvos de 25 nm de TiO2

(US Research Nanomaterials, Inc) en 50 mL

de agua destilada (L1).

Posterior a las deposiciones mencionadas

anteriormente, las muestras se sometieron a

un proceso térmico, éste se muestra en la

Figura 2. De esta forma, se evaporaron los

solventes empleados y se calcinaron los

óxidos a una temperatura de 500 °C [14]

[15].

Figura 2. Ciclo térmico final.

Funcionalización de espumas

Las técnicas con las que se funcionalizaron

las espumas incluyen los dos últimos

procesos descritos para la funcionalización

de cintas. Así mismo, las espumas fueron

sometidas al mismo tratamiento térmico y

almacenadas en un desecador.

La deposición de hematita se realizó

variando la relación de volumen urea/FeCl3

en dos niveles, 1 y 3 (E1 y E2). Mientras que

para el proceso de deposición de titania se

probó el mismo que se empleó para la

funcionalización de cintas que incluye un

proceso de sonicación y sin éste (E3 y E4).

En la Tabla 3 se muestra un resumen de las

técnicas empleadas para cada una de las

muestras.

Tabla 3. Resumen técnicas de deposición.

Nombre Soporte cerámico

Óxido metálico

Diferencia

L-Blanco Cinta -- -- L1 Cinta TiO2 Sin sonicación L2 Cinta Fe2O3 Vol. urea/FeCl3 =3

L3 Cinta WO3 -- E1 Espuma Fe2O3 Vol. urea/FeCl3 =1

E2 Espuma Fe2O3 Vol. urea/FeCl3 =3 E3 Espuma TiO2 Con sonicación

E4 Espuma TiO2 Sin sonicación E-Blanco Espuma -- --

Caracterización

Morfología y especies presentes

Para determinar la morfología y las especies

presentes en las muestras desarrolladas se

empleó microscopia electrónica de barrido y

análisis EDS. Lo anterior se realizó con el

equipo JSM-6490LV.

Oxidación del material particulado

Para determinar la eficiencia de los

catalizadores en la oxidación del hollín se

implementó un montaje experimental,

empleando el espectrómetro de masas

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500

Tem

pe

ratu

ra (°

C)

Tiempo (min)

(a) (b)

Lámina

Solución

FeCl3 +urea

Solución TiO2+agua Lámina

Soporte

Agitador magnético

Page 5: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

Pfeiffer Vacuum GSD-320, éste montaje será

explicado posteriormente.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Morfología y especies presentes

Caracterización de cintas

En la Figura 3 se muestran imágenes de las

muestras funcionalizadas de las cintas

cerámicas y el blanco. En ésta se pueden

observar cortes transversales y superficiales

a diferentes aumentos. Así mismo, en la

Tabla 4 se muestra una selección de los

análisis EDS más significativos para cada una

de las muestras.

Figura 3. Imágenes SEM- las muestras con * corresponden a cortes transversales y las demás a una observación

superficial (L-Blanco, L1, L2, L3)

Tabla 4. Análisis EDS cintas cerámicas funcionalizadas (L-Blanco, L1, L2, L3)

Muestra/Vista Mapa compuesto 1 Mapa compuesto 2 Imagen

L-Blanco Superficial

--

5 μm

100 μm

100 μm

1 μm

5 μm

500

100

100

100 μm 100 μm 100 μm

5 μm 5 μm

500 μm 500 μm 500 μm

1 μm 1 μm 1 μm

*LBlanco

*LBlanco

LBlanco

LBlanco

*L1

L1

*L1

L1

*L2

*L2

L2

L2

*L3

*L3

L3

L3

Page 6: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

L1 Superficial

L2 Transversal

L3 Transversal

Analizando las imágenes anteriores, se

puede observar que con los recubrimientos

L1 y L2 no se logran obtener capas uniformes

de titania y hematita (respectivamente).

Adicionalmente, se puede observar que se

forman capas gruesas que se alcanzan a

cuartear, pero al no ser homogéneas no es

posible determinar el espesor de las mismas.

Por el contrario, en el caso de la deposición

de WO3 se observa una capa homogénea de

aproximadamente 2 µm. Así mismo, la

morfología de este recubrimiento presenta

estructuras similares a copos de algodón,

que se distribuyen uniformemente por toda

la superficie de la cinta de alúmina.

En cuanto a las cintas cerámicas, se pueden

observar las diferencias entre los procesos

de manufactura de éstas. Por ejemplo, para

el caso de L-Blanco y L3 no se empleó el

agente formador de poros mencionado

anteriormente, mientras que para L1 si

observan poros micrométricos. En la imagen

obtenida a una escala de 100 µm para L2, se

alcanza a observar un espacio entre dos

estructuras, este espacio corresponde a la

delaminación entre las cintas que se

presenta por errores en el proceso de

manufactura de las mismas.

Con los estudios realizados, es posible

afirmar que las cintas cerámicas, al presentar

microporosidades, no son útiles para su

posterior aplicación como medio de filtración

de emisiones contaminantes de motores

diesel, por ésta razón en las etapas

posteriores de este proyecto se

seleccionaran las espumas como soporte a

implementar.

Sin embargo, por los resultados obtenidos se

sabe que las tecnologías que envuelven el

desarrollo de cintas cerámicas constituyen

una rama de gran interés de estudio.

Caracterización de espumas

En la Figura 4 y en la Tabla 5 se muestran,

respectivamente, imágenes SEM de los

recubrimientos realizados en las espumas

cerámicas y los análisis EDS de estas (E1, E2,

E3, E4, E-Blanco).

Page 7: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

Figura 4. Imágenes SEM a diferentes aumentos (E1, E2, E3, E4, E-Blanco)

Tabla 5. Análisis EDS espumas funcionalizadas (E1, E2, E3, E4, E-Blanco)

Muestra Mapa componente 1 Mapa componente 2 Imagen

E1

E2

E3

10 μm

10 μm

10 μm

10 μm

10 μm

5 μm

5 μm 5 μm 5 μm 5 μm

1 μm

1 μm

1 μm 1 μm 1 μm

E1

E-Blanco

E1

E1

E2

E2

E2

E3

E3

E3 E4

E4

E4

E-Blanco

E-Blanco

Page 8: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

E4

E-Blanco

--

En cuanto a las espumas cerámicas

funcionalizadas por rutas precursoras de

hematita, se puede afirmar la presencia de

éste óxido en E1 y E2 gracias a los análisis

EDS realizados. Respecto a la morfología, se

puede afirmar que en E1 (urea/FeCl3 =1) se

presentan estructuras en forma de barras de

800 nm de longitud y 100 nm de espesor,

estos presentan un recubrimiento con cierto

grado de homogeneidad en la superficie de

la espuma. En E2 (urea/FeCl3 =3) se observan

aglomerados de barras, estos tienen una

longitud aproximada de 500 nm, y al igual

que en E1, se observa homogeneidad en el

recubrimiento depositado.

Por el contrario en los recubrimientos

realizados con nanoparticulas de titania en

E3 (con sonicación) y E4 (sin sonicación), no

se observa homogeneidad ni uniformidad.

Sin embargo, comprando los resultados

obtenidos en estas dos muestras, se puede

observar que en E4 se obtienen capas de

mayor espesor de TiO2, así mismo, se

observan agrietamientos más grandes que

los que se obtienen en E3.

Adicionalmente, en los análisis EDS se

observa la distribución de TiO2 y Al2O3 en la

superficie de la espuma y, al presentar

grandes concentraciones de alúmina por

sectores, se afirma que los recubrimientos

no son homogéneos.

Con las anteriores observaciones, se puede

afirmar que la deposición de capas

nanoestructuradas es prometedora, dado

que aumenta el área superficial de las

espumas cerámicas. Esto último contribuiría

a aumentar la retención mecánica del

material particulado inferior a 10 micras,

disminuyendo así las emisiones

contaminantes de motores diesel.

3.2. Implementación del prototipo de

pruebas con espectrometría de gases

Previo a la prueba de las espumas, éstas

fueron expuestas al escape de un motor

diesel durante 3 minutos (cada una), en la

Figura 5 se muestra el montaje experimental

de ésta prueba. Con esto, se buscó

impregnar las muestras con hollín, la

presencia de éste de detectó por la

coloración negra de las muestras.

En este proceso, no se pudo determinar el

flujo al cual fueron expuestas las muestras,

por lo anterior no se tuvo un control preciso

en la cantidad de hollín impregnado. Sin

embargo, se cree que estas cantidades

Page 9: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

fueron similares, pues se controló el tiempo

de exposición de las muestras a los gases

emitidos.

Figura 5. Montaje experimental para la impregnación

de espumas empleando un motor diesel.

Posteriormente, las espumas fueron

recubiertas con lana de vidrio y ajustadas a

un reactor tubular (Thermo Scientific-

LINDBERG BLUE M), como se observa en la

Figura 6. Este montaje permitió pasar una

mezcla de gases (40 mL/min), compuesta por

73% (Volumen) de He (calidad industrial) y

27% (Volumen) de O2 (calidad industrial), a

través de las espumas desde 260 °C hasta

400°C. Lo anterior, con una tasa de

calentamiento de 20 °C/min y sostenido en

400°C durante 20 minutos.

Figura 6. Montaje experimental de las espumas en el

horno tubular.

Los gases de salida del reactor tubular se

midieron con ayuda del espectrómetro de

masas, como se muestra en la Figura 7, y se

hizo énfasis en detectar los gases típicos que

corresponden a la oxidación del hollín, CO2 y

CO. Esta prueba se repitió para las muestras

E1, E2, E3, E4 y E-Blanco (Ver Tabla 3), los

resultados obtenidos para el CO2 se

muestran en la Figura 8 y para el CO en la

Figura 9.

Figura 7. Montaje experimental para la detección de

CO y CO2.

Figura 8. Cambio en la concentración de CO2 en

función del tiempo.

Figura 9. Cambio en la concentración de CO en

función del tiempo.

Adicional a las muestras E1, E2, E3, E4, E-

Blanco impregnadas con hollín, en las Figuras

8 y 9, se observa el comportamiento al pasar

los gases por una espuma sin ningún tipo de

impregnación (Esp). Así mismo, se observa el

perfil de temperatura que se manejó a lo

largo de las pruebas.

200

250

300

350

400

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 500 1000

Tem

per

atu

ra (

°C)

Can

tid

ad p

rese

nte

(%

)

Tiempo (s)

E-B

E1

E2

E3

E4

Esp

200

250

300

350

400

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 500 1000

Tem

per

atu

ra (

°C)

Can

tid

ad p

rese

nte

(%

)

Tiempo (s)

E-B

E1

E2

E3

E4

Esp

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Para obtener los datos del porcentaje

presente de CO y CO2, el espectrómetro de

masas fue calibrado con una presencia de

180 ppm de CO2 y 50 ppm de CO. Estos

valores de referencia deben cambiar las

respuestas obtenidas, sin embargo, la

proporción entre las líneas, que representan

cada una de las muestras, se debe mantener.

Aunque con estos resultados se puede

analizar que con la presencia de titania (E3 y

E4) se genera mayor cantidad de gases (CO y

CO2), observando mejor respuesta con E4 es

decir con la deposición que no incluye el

proceso de sonicación. No es posible realizar

esta afirmación al no tener control en la

cantidad de hollín impregnado en cada

muestra.

Así mismo, de las deposiciones realizadas

con hematita se puede afirmar que la

relación volumétrica de urea/FeCl3 que

presenta mejores resultados es 1, por lo que

en ésta se presenta mayor cantidad de CO y

CO2. Sin embargo, al no tener control de la

cantidad de hollín impregnado no se puede

realizar esta afirmación.

Como se mencionó anteriormente, es difícil

lograr una cuantificación de la cantidad de

catalizador depositada en la superficie de las

espumas y del hollín retenido. Por esto, la

observación más importante que se puede

extraer de las pruebas realizadas, es la

reducción en el tiempo de aparición de los

gases producto de la oxidación del hollín en

las muestras E1, E2, E3 y E4, que empieza

cerca de los 100 segundos, mientras que en

la muestra E-Blanco empieza cerca de los 200

segundos.

Así mismo, se observa que el montaje

preliminar implementado demuestra tener

un gran potencial a la hora de evaluar los

catalizadores implementados en espumas

cerámicas. Sin embargo, para futuras

aplicaciones se recomienda realizar pruebas

con diferentes valores de referencia de los

gases a analizar, para evaluar la influencia de

estos. Así mismo, se debe controlar la

cantidad de hollín impregnado en las

muestras, esto se puede realizar midiendo el

flujo al cual son expuestas.

4. CONCLUSIONES

Aunque se lograron funcionalizar dos tipos

de soporte cerámico (cintas y espumas), solo

las espumas cerámicas resultaron viables

para ser implementadas como medio de

filtración y tratamiento de las emisiones

contaminantes de motores diesel.

Con la deposición de WO3 por el método de

HFCVD se logró la obtención de capas finas

sobre los soportes cerámicos. Sin embargo,

después de realizar pruebas experimentales

se descartó, en el marco de éste proyecto, su

uso en las espumas cerámicas, pues para

lograrlo se requeriría cambiar el montaje del

reactor HFCVD.

Empleando el método de impregnación se

logró depositar hematita y titania sobre los

dos tipos de soporte cerámico. Con los

resultados obtenidos se logró determinar

que éste método resulta más apropiado para

la funcionalización de espumas cerámicas.

Se logró implementar un montaje preliminar

para el estudio de los efectos catalíticos de

las espumas funcionalizadas. En este se

sometieron las muestras impregnadas con

catalizadores y hollín a un ambiente oxidante

a altas temperaturas y, con ayuda de

espectrometría de masas, se logró observar

que el aumento de las especies resultantes

Page 11: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

de la oxidación de material particulado (CO y

CO2) se presentó a menor temperatura.

Aunque no fue posible determinar la

cantidad de óxidos metálicos depositados

sobre las espumas cerámicas y del hollín

retenido. Los recubrimientos realizados

lograron reducir la temperatura de oxidación

del hollín cerca de 100 °C.

En cuanto a la deposición de hematita, se

obtuvieron estructuras nanométricas

uniformes en forma de barras de 800 nm de

longitud, para la relación urea/FeCl3 =1, y

aglomerados de barras de 500 nm para la

relación urea/FeCl3 =3. Las anteriores

nanoestructuras deben mejoran la retención

de material particulado inferior a 10 micras.

Aunque con la deposición de titania no se

lograron obtener recubrimientos uniformes,

el tamaño nanométrico de las partículas

depositadas debe ayudar a la retención del

material particulado inferior a 10 micras.

La deposición de capas nanoestructuradas

parece ser prometedora en el tratamiento de

emisiones contaminantes de motores diesel,

pues aumenta el área superficial de las

espumas cerámicas, lo que debe

incrementar la retención mecánica de

material particulado.

Adicionalmente, se logró mejorar la

resistencia mecánica de las espumas

cerámicas, obteniendo un valor aproximado

de 0.25 MPa. Lo anterior, implementando

una etapa adicional de impregnación con

suspensión cerámica a las espumas en verde.

5. TRABAJO A FUTURO

El trabajo realizado hasta el momento

muestra la importancia de la deposición

nanoestructurada para la retención y

tratamiento catalítico del material

particulado.

Buscando nuevas estructuras, se propone el

estudio de otros óxidos metálicos o

materiales compuestos, que disminuyan la

temperatura de oxidación del hollín y así

evitar el taponamiento de los filtros.

Así mismo, se recomienda implementar el

montaje del prototipo de pruebas

desarrollado con mezclas gaseosas que

incluyan las emisiones de gases

contaminantes típicas de motores diesel. Lo

anterior, con el fin de evaluar el efecto

catalítico de las deposiciones en la oxidación

o reducción de estos.

Para futuras pruebas con el prototipo

desarrollado, se recomienda fijar los flujos de

las emisiones del motor diesel, para

controlar la cantidad de hollín impregnado

en cada muestra. Así mismo, se recomienda

realizar la prueba con diferentes valores de

referencia de los gases a analizar, con el fin

de evaluar la influencia de éstos en las

pruebas realizadas.

6. AGRADECIMIENTOS

Agradezco a las profesores Pablo Ortiz

Herrera, Jairo Arturo Escobar y a los

departamentos de Ingeniería Química e

Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los

Andes por su acompañamiento y apoyo

financiero. También agradezco la

colaboración brindada por la estudiante

postdoctoral Verónica Moreno Arguello de la

Universidad Federal de Santa Catarina-Brasil

y el estudiante de maestría en Ingeniería

Química Andrés Oñate de la Universidad de

Los Andes.

Page 12: Funcionalización de filtros cerámicos con óxidos metálicos ...

De manera especial quiero agradecer a los

técnicos de los laboratorios de Ingeniería

Mecánica e Ingeniería Química por las

múltiples colaboraciones prestadas durante

la elaboración de este proyecto.

7. BIBLIOGRAFIA

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la Salud. [Online].

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[18] Ana María Montes, PROTOCOLO PARA

LA CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE

ESPUMAS CERÁMICAS PROTOCOLO

PARA LA CARACTERIZACIÓN MECÁNICA

DE ESPUMAS CERÁMICAS, 2008,

Universidad de Los Andes.

[19] VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

MINISTERIO DE AMBIENTE, Resolución

número 0776, Mayo 15, 2008.