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Síntesis o separación de nanopartículas de plata a través del tubo

Ranque-Hilsch para su producción continua J. D. Castaño Estrada y C. A. Higuera Remolina

Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería Química. Bogotá, Colombia

Proyecto de grado 2014-II

Resumen: Adelantos recientes en la nanotecnología incluyen la utilización de principios básicos de

las ciencias cuánticas y ciencias de superficie molecular, bottom up, y métodos de miniaturización

semi-empíricos top down para síntesis. Este proyecto busca ser un aporte a esta investigación,

realizando un acercamiento inicial al desarrollo de un proceso que permita sintetizar nanopartículas

de plata de forma continua, en el tubo Ranque-Hilsch como reactor-separador, considerando

diferentes variables de proceso. El desarrollo de este proyecto evidencia una alta dependencia de la

presión, temperatura y la forma de dosificar las soluciones antes de ingresar al tubo Ranque-Hilsch,

que requiere de mayores afinamientos para ser considerado como método de síntesis y separación

continua. Los resultados obtenidos muestran una evidencia parcial de separación por tamaño de

partículas entre las corrientes fría y caliente del tubo en el caso de las nanopartículas de plata.

I. Introducción

Viendo el potencial de la nanotecnología en

la actualidad y su crecimiento a largo plazo,

Horizonte 2020, Programa Marco de

Investigación e Innovación de la Unión

Europea, consagra la nanotecnología como

una de las seis líneas esenciales de la

investigación para que Europa logre mantener

una industria competitiva [1].

La producción de nanopartículas es una

tecnología que puede entenderse como

síntesis de partículas con un tamaño de

1 𝑎 100 𝑛𝑚 según la norma ASTM E2456

[2], que se utilizan ya ampliamente en

industrias como: la electrónica, farmacéutica,

química, médica, etc. A partir de un amplio

estudio, desde el año 2000 se empezó a

utilizar esta tecnología con una alta

frecuencia.

El tubo de vórtice fue inventado, en 1928, por

George Ranque, un estudiante francés de

física, cuando estaba experimentando con una

bomba de vórtice que él había desarrollado y

se fijó en que por un extremo salía aire frío y

por el otro, aire caliente. Ranque patentó y

trató de sacarle provecho al dispositivo, pero

sin ningún éxito. Tiempo después en 1945,

Rudolph Hilsch, físico alemán, publicó varios

artículos que comprenden un extenso estudio

sobre el dispositivo [3], [4].

Las aplicaciones del tubo Ranque-Hilsch (a

partir de ahora se citará como RH) se han

extendido a lo largo del tiempo a diferentes

industrias y ha sido usado principalmente

como dispositivo refrigerador, en

procedimientos que van desde el enfriamiento

de equipos en procesos vitales, hasta la

entrega de aire caliente a la cavidad oral [4];

se ha pasado también por modificaciones más

innovadoras como la incorporación del tubo

RH en un proceso de compresión de líquidos

para el ahorro de energía [5], usando

diferentes tipos de flujo, por lo cual se conoce

que es posible trabajar con fluidos

incompresibles como el agua. En este último

caso, las presiones de entrada aumentan de 20

2

a 50 bares y se experimenta con flujos en dos

fases [6] o en dispersión (como gotas de agua

en aire) [7].

De acuerdo con los estudios, se ha evaluado

el uso del tubo RH a manera de dispositivo

separador de fluidos como el aire [8], [9],

para el aislamiemto de dióxido de carbono en

procesos altamente contaminantes [10], [11];

e incluso se sabe que ciertas condiciones

afectan en mayor medida la separación de

gases [12]. Se ha concluido que su principal

capacidad de separación se da por un efecto

de centrifugación.

Lo anterior, lleva a preguntar en qué otras

aplicaciones se puede utilizar este dispositivo,

por tal motivo, esta investigación explora el

potencial de la utilización del tubo RH como

elemento de síntesis o de separación de

nanopartículas de plata entre 20 y 50 nm en

un proceso continuo: esta es una aplicación

sin precedentes y bastante desafiante, que

puede ser una alternativa por considerar para

el proceso continuo.

El tubo RH es un dispositivo que se alimenta

usualmente de aire comprimido, para generar

un cambio de temperatura entre el conducto

de entrada tangencial al tubo y las salidas de

los extremos del mismo, como se muestra en

la Figura 1. El volumen y la temperatura de

las dos salidas se ajusta a partir de una

válvula situada dentro de la salida del aire

caliente [13], [14]. Se obtiene, como

resultado, un equipo sin partes móviles que

proporciona un flujo de salida en dos

porciones: caliente y fría; de esta forma,

pueden conseguirse temperaturas tan bajas

como: -46ºC y tan altas como 127ºC [4].

Figura 1. Esquema del tubo Ranque-Hilsch (RH).

Partiendo de la conservación de materia el

tubo tiene las siguientes relaciones

matemáticas que lo modelan:

��𝑖𝑛 = ��𝐶 + ��𝐻 {1} [6]

Donde (��𝑖𝑛) es el flujo másico de la entrada

al tubo; (��𝐶) es el flujo másico de la salida

fría; y (��𝐻) es el flujo másico de la salida

caliente.

Por la aproximación de Fulton, que en 1950

encontró una fórmula matemática para

relacionar la máxima diferencia de

temperatura en función del número de

Prandal, encontramos:

∆𝑇𝑐,𝑚𝑎𝑥

∆𝑇𝑖𝑠= 1 −

1

2𝑃𝑟 {2} [6]

Donde:

∆T𝑐,𝑚𝑎𝑥 = Tin − Tc

∆Tis = Tin (1 − (pc

pin) (

(γ−1)

γ)) {3}

γ =Cp

Cv

Hay varias explicaciones teóricas de la

dinámica del tubo RH, las cuales se

encuentran en las siguientes categorías:

(i) Teoría del cizallamiento viscoso [6], [8]:

el gas entrante tangencialmente al tubo baja

por este en espiral, pasa al interior en forma

de capas concéntricas con una velocidad

angular que va aumentando hacia el centro,

tendiendo siempre a conservar el momento

angular, lo cual da como resultado un efecto

de cizalla; la energía de las capas internas de

3

gas es transferida a las externas,

experimentando así un enfriamiento en las

capas internas y un calentamiento en las

externas.

(ii) La teoría cinético molecular [6], basada

en una distribución de este tipo, es estudiada

por varios investigadores como J. C. Maxwell

y L. Boltzman quienes habían postulado que

como el calor envolvía el movimiento de las

moléculas, entonces se asociaba este

comportamiento con la distribución de

temperatura y explicaron esto con la ayuda

del llamado “Demonio de Maxwell”. Stone,

W. G. y Love, T. A. se refieren a este efecto

como “Difusión explosiva” de las moléculas

más ligeras, y limitan estos efectos a

corrientes en contra-flujo: la corriente

entrante selectivamente reúne a las moléculas

calientes y a medida que se acercan al punto

de mayor temperatura, pierde moléculas

calientes cuando fluye hacia el centro en el

extremo cerrado; la corriente del centro

circula en dirección contraria desde el

extremo cerrado agotando así las moléculas

calientes hasta que sale del tubo. También se

sugiere que la diferencia de temperatura es

evidencia de una separación de masa [8].

Estos estudios continúan con las

investigaciones de B. Ahlborn y su modelo

que relaciona la presión de entrada y de las

salidas con la temperatura [6].

(iii) Entre otras explicaciones específicas que

resultan de bases teóricas, se encuentran la

“Convección forzada” y la ecuación

extendida de Bernoulli [8]. Con las anteriores

teorías se han desarrollado las bases para un

amplio estudio y uso de este dispositivo y su

interacción con los diferentes tipos de fluidos,

como es el caso de una síntesis.

Dado que existen varios procesos para la

síntesis de nanopartículas –por métodos

físicos y químicos–, estos dependen del tipo

de nanopartículas que se desea sintetizar, por

lo que algunas técnicas son más viables que

otras; pero la mayoría están limitadas a la

síntesis de pequeñas cantidades en operación

tipo Batch.

Las técnicas, en su mayoría, son del modelo

por lotes de las cuales las más extendidas son:

la molienda, que disminuye el tamaño de un

sólido volumétrico, y la evaporación térmica,

en la cual se utiliza un láser que vaporiza una

solución o un sólido [15]. Los procesos que

existen en continuo son los que están en fase

de laboratorio o planta piloto, por lo cual los

avances hacia este tipo de producción son

altos: entre estos se destaca la spray pyrolysis

(SP) por ser un proceso en continuo con

buenos resultados en la síntesis de partículas

nanoestructuradas multicomponente. Este

proceso tiene varios métodos de realización,

donde lo que cambia es la transferencia de

energía térmica y cómo se liberan los

reactivos. La SP consiste en la preparación de

una disolución de una sal metálica del

producto, la cual es atomizada para formar un

aerosol que es transportado por medio de un

gas portador hasta un reactor de media o alta

temperatura. Dentro del horno se evapora el

disolvente y se da la descomposición,

difusión y reacción del soluto que genera

partículas extrafinas dentro de las gotas, que

después se recolectan [16]. Otros avances en

medio continuo se han dado por estudios

usando la microfluídica, donde se elaboraron

canales cerámicos que permiten mayor

control de la síntesis y aumentar la eficiencia

del proceso [17].

Con el fin de evaluar la síntesis de

nanopartículas en el tubo RH y teniendo en

cuenta que su uso como elemento separador

ha sido puesto a prueba con partículas más

pequeñas tales como isótopos de elementos

químicos tan comunes como el aire, o

radioactivos como la plata 110 [10], se denota

4

que existe una dependencia de la presión de

entrada al tubo, y un cambio mínimo del

factor separador al variar la fracción de frío

cuando son polvos.

𝜀 =��𝐶𝑜𝑙𝑑

��𝐼𝑛 {4}

Se ha decidido partir de las nanopartículas de

plata debido a: (i) su amplio uso en el sector

de la salud por sus efectos bactericidas, en

diferentes aplicaciones biomédicas como el

recubrimiento de materiales, apósitos en

heridas y cementos óseos [18]; (ii) sus

aplicaciones en varias industrias como, por

ejemplo, en las de textiles, cosméticos,

electrónicos y farmacéuticos [19].

La síntesis química de nanopartículas de plata

generalmente se realiza a partir de una

solución acuosa de sales de plata en presencia

de un medio protector para el crecimiento de

las nanopartículas [20]; la sal de plata con

mayor uso en laboratorio es el nitrato de

plata.

Se tiene como objetivo lograr esta síntesis de

forma continua y para esto se probarán las

siguientes variables de proceso:

concentración, presión y temperatura, en un

montaje que incluye al tubo RH por sus

antecedentes, como un posible dispositivo de

síntesis o separación dentro del proceso.

II. Metodología

Con el fin de determinar parámetros de

operación, del proceso con el tubo RH y su

utilización como dispositivo de síntesis o

separación de nanopartículas, se optó por

probar experimentalmente dos escenarios

principales de dosificación:

Alimentación de la solución al tubo

que se da por medio del arrastre de

un fluido gaseoso, en este caso aire.

Inyección de la solución directamente

en el fluido, previo a que este ya se

haya desarrollado y esté en condición

estable, la cual se evalúa con la

identificación del perfil de

temperatura que desarrolla el tubo a

lo largo del tiempo.

La primera fase a su vez fue desarrollada en

dos casos: el primero, un procedimiento de

síntesis y su posterior acople al tubo RH; el

segundo, un proceso de control en el cual se

alimenta una solución de nanopartículas de

plata al tubo RH para el posterior análisis de

las salidas, este último procedimiento se

repetirá en la segunda fase. Para esto se

utiliza un montaje sencillo que permite su

ensamblaje por partes, a medida que se vayan

realizando los anteriores procesos.

El montaje final consta de 4 humidificadores

(recipientes) con sus respectivas uniones,

cánulas de oxígeno (PVC), y un tubo vortex

RH (Kit de tubo vortex 3908 elaborado por

EXAIR®) similar al de la Figura 2, con

raccords rápidos de ¼ en la entrada y las

salidas; por medio de mangueras se

conectaron las salidas a unos humidificadores

que contenían agua des-ionizada a la cual se

le burbujean los productos resultantes. El

diagrama del montaje se puede observar en la

Figura 3.

Figura 2. Diagrama isométrico del tubo RH, por

partes [21].

5

Figura 3. Diagrama explicativo de los módulos del montaje.

6

Fueron realizados los siguientes

experimentos: (i) Síntesis con nitrato de plata

y borohidruro de sodio: la reducción se

produce de acuerdo con la Ecuación 5 y las

sustancias utilizadas para estabilizar las

nanopartículas es citrato de sodio y

polivinilpirrolidona (PVP).

𝐴𝑔𝑁𝑂3 + 𝑁𝑎𝐵𝐻4

→ 𝐴𝑔 +1

2𝐻2 +

1

2𝐵2𝐻6

+ 𝑁𝑎𝑁𝑂3 {5}

El método de síntesis comúnmente usado en

laboratorio es combinar, en un recipiente con

tapa, 5 ml de nitrato de plata con 3 ml de

citrato de sodio y 3 ml de PVP, como medio

de solución; a esta mezcla se le agregan

rápidamente 2 ml de borohidruro de sodio. Se

tapa el recipiente con papel de aluminio y se

agita vigorosamente durante 15 minutos hasta

notar un cambio de color a amarillento claro.

Esta formulación es la utilizada para las

síntesis de nanopartículas de plata de la forma

por lotes, que será el punto de partida para

este trabajo y a la cual nos referiremos como

la formulación estándar. Se propone cargar un

recipiente con los tres primeros reactivos, y

en el otro recipiente solo el agente reductor

(borohidruro de sodio).

Síntesis

Durante la fase de síntesis fueron evaluados

los siguientes factores: la concentración, el

volumen y la temperatura, todos a dos

niveles. La concentración se varió

aumentándola en un orden de magnitud con

respecto a la formulación estándar, como se

muestra en la Tabla 1. La presión del flujo de

aire de alimentación fue de 8-10 psi (flujo de

aire de 2-5 l/min).

Tabla 1. Distribución de los niveles en cada factor

Factores Nivel 1 Nivel 2

Formulación

Concentración [M]

1.12mM AgNO3

2.99mM citrato de sodio

9.52mM NaBH4

0.33 M PVP

1x10-2

M AgNO3

2.99 x10-2

M citrato de sodio

9.52 x10-2

M NaBH4

0.33 M PVP

Volumen [ml] 94-Min 400-Max

Temperatura [ºC] 21-(T ambiente) 45

El procedimiento seguido fue preparar las

soluciones de los reactivos y guardar la

proporción de la formulación estándar; estas

soluciones fueron depositadas en los

humidificadores 1 y 2, respectivamente,

después estos fueron sellados, y luego se

abrió la válvula de aire comprimido (Po). Se

toman muestras a la salida de la cánula para

su análisis cada hora.

Adicionalmente se utilizó ácido clorhídrico

(HCl) para la determinación de nitrato de

plata en las muestras de la parte de síntesis.

Usando tres gotas de HCl en agua, se

depositan en el recipiente recolector del

producto; en caso de que la solución cambie

de color, de transparente a blanco, se puede

afirmar que existe en la solución nitrato de

plata; de lo contrario, no se tiene la presencia

de este componente, de acuerdo con la

Ecuación 6.

𝐴𝑔 + 2𝐻𝐶𝑙 → 𝐴𝑔𝐶𝑙2 + 𝐻2 {6}

Síntesis y separación

Para la parte de síntesis y separación se tomó

en cuenta, como punto de inicio, la muestra

con mejor resultado de la síntesis anterior y

se usaron los siguientes factores principales:

7

la presión y la temperatura, y se dejaron fijas

las siguientes variables: la del tubo RH y la

formulación, la cual fue utilizada en el nivel

que dio mejores resultados en la primera

parte. Los niveles de cada factor se muestran

en la Tabla 2.

Tabla 2. Niveles por evaluar en cada factor.

Niveles

Factores 1 2 3

Presión [psig] 20 25 30

Temperatura [ºC] 50 60 70

Separación

En la siguiente fase se desmontó un

humidificador de la alimentación y se dejó

solamente uno al cual se le cargó la muestra

control, esto es las nanopartículas de plata

sintetizadas con la formulación 1 o la

estándar; se realizaron los mismos

tratamientos de la Tabla 2.

Pruebas de separación con inyección de la

solución

Posteriormente, fue utilizado el siguiente

método de alimentación de la mezcla para

inyectar la solución de control: se adicionó a

la entrada del tubo una unión tipo T como se

ilustra en la Figura 4. Se inyectó 1,5 ml a dos

diferentes presiones (25 y 30 psig), dos veces

en cada caso.

Figura 4. Acople para inyectar las nanopartículas a

la alimentación de aire.

El análisis de las soluciones obtenidas se

realizó mediante observación directa de la

coloración, y la curva de absorción UV-Vis,

con un espectrofotómetro, modelo

VarianCary 50. La concentración de las

muestras fueron evaluadas contra una

estándar, realizando una curva de calibración

como técnica analítica [22], para los dos

niveles tratados. Adicionalmente, se sacaron

imágenes de las soluciones resultantes de las

salidas del tubo con el microscopio

electrónico de transmisión (TEM).

Las correlaciones se obtuvieron para las dos

formulaciones trabajadas diluyendo una

muestra patrón de nanopartículas sintetizada

de modo por lotes (Anexo 3), permitiendo

calcular la concentración de las muestras

resultantes con las siguientes ecuaciones.

Para los picos se observa en la muestra del

espectro UV-V en el rango de 320 a 500 nm.

𝑥: pico máximo [Abs].

Formulación Nivel 1:

𝑦 = 0,0002𝑥−8𝐸−7 {7}

Formulación Nivel 2:

8

𝑦 = −8𝐸 − 5𝑥4 + 0,0006𝑥3 −

0,0016𝑥2 + 0,0038𝑥 − 0,0002 {8}

Para las áreas se delimita un rango de

integración de la longitud de onda entre 320 y

500 nm.

𝑥: Área bajo la curva del espectro UV-

Vis. [𝐴𝑏𝑠 ⋅ 𝑛𝑚]

Formulación Nivel 1:

𝑦 = 1𝐸 − 10𝑥3 − 9𝐸 − 8𝑥2 + 3𝐸 −

5𝑥 − 0,0002 {9}

Formulación Nivel 2:

𝑦 = 1𝐸 − 11𝑥3 − 3𝐸 − 9𝑥2 + 2𝐸 − 6𝑥 −

2𝐸 − 6 {10}

Donde en ambos casos:

𝑦: concentración de la muestra [M]

La técnica utilizada tiene un rango óptimo de

concentración de 1.4E-4 M a 1.1E-5 M para

la formulación 1 y de 0.003 M a 1.2E-4 M

para la formulación 2, con un error analítico

asociado de 0.39% y de 0.58%,

respectivamente, para cada formulación.

Para la caracterización del perfil de

temperatura del tubo RH, durante la

operación se utilizó un método no invasivo y

se grabó un video con la cámara térmica TIM

Connect; esto fue observado en dos

experimentos con diferentes niveles: cuando

la temperatura de la solución de

nanopartículas está a temperatura ambiente y

cuando está a 50ºC.

III. Análisis de resultados

Síntesis

Durante la fase de síntesis, después de haber

realizado los primeros 4 experimentos a

temperatura ambiente sin obtener resultados

cualitativos frente al color de la solución o

prácticamente nulos, se hizo una

modificación a los mismos debido al

siguiente interrogante: ¿es posible la

degradación de alguno de los reactivos

utilizados? Por este motivo, se repitieron los

experimentos individualmente en ambos

recipientes.

Se determinó evaluar con el uso del ácido

clorhídrico, qué factores mejoraban el

transporte de nitrato de plata (recipiente 1);

igualmente, con el borohidruro de sodio

(recipiente 2), pero se utilizó nitrato de plata

para su determinación.

Con el nivel de formulación 1 para el nitrato

de plata, a temperatura ambiente, con ambos

niveles de volumen no se obtuvo una

respuesta cualitativa de la coloración; los

experimentos se detuvieron al cabo de 2

horas. Al elevar la temperatura a 50ºC el

resultado fue similar aunque en la muestra de

1 hora se veía cierta coloración en unas

pequeñas zonas, ilustradas en la Figura 5.

Figura 5. Determinación de AgNO3 para la

concentración inicial de 1.12mM a 50ºC. (gota

izquierda). Resultado del blanco (gota derecha)

muestra recolectada del flujo de aire.

Con el nivel de formulación 2 para el nitrato

de plata se observó un comportamiento

similar a temperatura ambiente; sin embargo,

se obtuvo una respuesta cualitativa positiva

de la coloración para la temperatura de 50ºC,

en la muestra de 30 minutos, que se observa

9

en la Figura 6. El tiempo es más corto en

comparación con el anterior.

Figura 6. Muestra de la salida del producto por

arrastre de aire a una temperatura de 50ºC tomada

después de 30 min.

Al repetirse lo anterior para el borohidruro de

sodio se encontró que, para la formulación en

ambos niveles a temperatura ambiente no se

obtiene ningún cambio cualitativo una vez

finalizando el procedimiento, después de 2

horas. Pero al aumentar la temperatura

(aprox. 53ºC), en el nivel 2 de formulación,

hay un cambio mínimo en la coloración al

cabo de 30 minutos: pasa de transparente a un

amarillo ocre, que es posible observar en la

Figura 7, y concuerda con el color que toma

la solución de nanopartículas al nivel de

formulación 2 [23].

Figura 7. Resultado de la determinación de

borohidruro de sodio en el nivel 2 de formulación

arrastrado por el aire; después de 30 min. comienza

la coloración.

Los resultados individuales anteriores

permiten determinar un punto de posible

éxito en un intervalo de tiempo relativamente

corto de 30 minutos; se considera que la

temperatura al nivel 2 para ambos recipientes

y la formulación al nivel 2, son la condición

más viable. Al realizar este experimento se

logró observar una coloración muy tenue al

cabo de una hora, y un resultado parcialmente

similar al de las nanopartículas a las 2 horas

que se presenta en la Figura 8. Los espectros

UV-Vis muestran el comportamiento que se

ilustra en la Figura 9.

Figura 8. Resultado de síntesis sin estabilizantes,

después de 2 horas de reacción. Se logra ver un

cambio de color en la solución.

Figura 9. Espectro UV-Vis: para los niveles 2 de la

temperatura y la formulación, tomados 1 y 2 horas

después. Se muestra un pequeño pico de 0,074 a 425

nm.

El resultado anterior se dio sin la presencia

del estabilizante en la solución y con una

diferencia de temperaturas entre los dos

recipientes de 5ºC. Se realizó entonces una

réplica del experimento utilizando el

0

0,05

0,1

0,15

0,2

300 400 500

Ab

s

Long.Ond [nm]

muestra 1 hora

muestra 2 horas

10

estabilizante como solución para la

suspensión del producto en el tercer

humidificador, y manteniendo una

temperatura similar en los dos recipientes. No

obstante, la temperatura del recipiente 1 se

mantuvo un grado, aproximadamente, por

encima de la del recipiente 2, 53ºC en

promedio; los resultados son positivos

permitiendo así ver una respuesta consistente

en la coloración de la solución y el espectro

UV-Vis con el pico característico como se ve

en la Figura 10.

Figura 10. Espectro de la síntesis para la réplica

después de 1 hora de comenzado el experimento. El

pico se encuentra a 0,2 Abs y 419.98 nm.

De acuerdo con la ecuación de la curva de

calibración, Ecuación 8, con el pico la

concentración de plata en la muestra es de

5.086610−4M.

Síntesis en el tubo RH

Previo al acople con el tubo RH, se tomaron

las temperaturas de las salidas del mismo, con

un termómetro láser sobre la superficie de

salida de los acoples rápidos en ambas salidas

del tubo, variando la presión de alimentación

a temperatura ambiente; se encontró que a

mayor presión hay un aumento en el

diferencial de temperatura en los extremos

del tubo como se muestra en la Tabla.3.

Tabla 3. Temperaturas de las salidas del tubo RH a

distintas presiones de entrada.

Presión

[psig]

T Caliente

[ºC]

T Fría

[ºC] ∆𝑇 [ºC]

20 19,4 17 2,4

30 27,4 16,8 10,6

40 31,5 16,2 15,3

Combinando la Ecuación 1 con la Ecuación 4

se tiene lo siguiente:

��𝑖𝑛 = 𝜀��𝑖𝑛 + (1 − 𝜀)��𝑖𝑛 {11} [6]

Aplicando la primera ley de la termodinámica

en estado estable y aislado y despreciando la

contribución de la velocidad, ya que está por

debajo de la del sonido, se llega a esta

fórmula:

�� = ∑ ��𝑘𝑘 − ∑ ��𝑘𝑘 − ∑ 𝑝𝑘��𝑘𝑘 + 𝑃 {12} [6]

Donde �� es la tasa de cambio de la energía

interna del sistema.

El flujo de entalpía del sistema se define

como �� = ��ℎ y la entalpía específica para

un gas como el aire se puede expresar de esta

forma ℎ = 𝐶𝑝𝑇 [6], lo cual da como resultado

la siguiente ecuación:

0 = ��𝑖𝑛[𝐶𝑝𝑇𝑖𝑛 − (1 − 𝜀)𝐶𝑝𝑇ℎ − 𝜀𝐶𝑝𝑇𝑐 {13}

[6]

Ahora para calcular las temperaturas se

acomoda la Ecuación 13:

𝑇𝑖𝑛 − (1 − 𝜀)𝑇ℎ − 𝜀𝑇𝑐 = 0 {13´} [6]

A partir de lo anterior, es posible remplazar

las siguientes ecuaciones:

∆𝑇ℎ = 𝑇ℎ − 𝑇𝑖𝑛

∆𝑇𝑐 = 𝑇𝑐 − 𝑇𝑖𝑛 {14} [6]

∆𝑇ℎ𝑐 = 𝑇ℎ − 𝑇𝑐

Remplazando en el balance se obtiene que:

0

0,05

0,1

0,15

0,2

300 400 500 600

Ab

sorb

anci

a [A

bs]

Longitud de onda [nm]

11

𝑇𝑖𝑛 = (1 − 𝜀)𝑇ℎ + 𝜀𝑇𝑐

𝜀∆𝑇𝑐 = (𝜀 − 1)∆𝑇ℎ

∆𝑇ℎ = 𝜀∆𝑇ℎ𝑐 {15} [6]

∆𝑇𝑐 = −(1 − 𝜀)∆𝑇ℎ𝑐

∆𝑇ℎ𝑐 = −∆𝑇𝑐

1 − 𝜀

Evaluando las propiedades del fluido, que es

aire húmedo, podemos observar que el rango

de trabajo del gamma en este caso está

alrededor de 1.8 como se ve en en la Figura

11.

Figura 11. Temperaturas en función del gamma.

Lo anterior se relaciona con la Ecuación 2

para calcular las temperaturas del gas; los

resultados obtenidos se presentan en la tabla

4.

Tabla 4. Temperaturas del gas calculadas con la

relación de Fulton.

Presión [psig] T Caliente [ºC] T Fría [ºC]

20 22,703 14,430

25 34,096 12,944

30 41,691 11,953

40 51,185 10,715

Las temperaturas calculadas son mayores

para la salida caliente y menores para la

salida fría, como es de esperase puesto que es

la temperatura calculada del interior del gas y

no la de la superficie del tubo.

Al acoplarse el tubo RH al montaje,

utilizando la cámara de infrarrojo “TIM”

auto-ajustada a la máxima temperatura y la

mínima, para generar una escala de colores,

se realizó una imagen térmica sobre el tubo

en el cual se observa de manera más precisa

el diferencial de temperatura que este

presenta.

El perfil de temperatura encontrado a lo largo

del tubo RH fue obtenido con una presión de

30 psi y un nivel de temperatura ambiente,

para la alimentación de la solución de

nanopartículas. Después de 20 minutos el

sistema se encuentra en estado estable. Se

evidencia una salida de 32°C por el lado

caliente y de 17°C, aproximadamente, por el

lado frío. De esta manera, se da un diferencial

de temperatura de 15°C, como se observa en

la Figura. 12.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Tem

pe

ratu

ra [

°C]

Gamma

Tc 20 psi Tc 25 psi Tc 30 psi Tc 40 psi

Th 20 psi Th 25 psi Th 30 psi Th 40 psi

12

Figura 12 . Perfil de temperatura del tubo RH, con la alimentación a temperatura ambiente. (T1) Entrada del

tubo. (T2) Salida caliente del tubo. (T3) Salida fría del tubo.

Al variar la temperatura de alimentación de la

solución de nanopartículas a 50ºC, se

observa un enfriamiento a la entrada del tubo

RH, mientras el fluido entra a una

temperatura de 30°C, aproximadamente.

Igual que en el caso anterior al estabilizarse el

tubo RH, se observa una salida de 30°C por el

lado caliente, de 17°C por el frío y una

temperatura máxima de 32,9ºC en el centro

del tubo con dirección hacia la salida caliente,

como se ilustra en la Figura 13.

Figura 13. Perfil de temperatura del tubo RH, con una temperatura de alimentación de 50ºC. (T1) Entrada del

tubo. (T2) Salida caliente del tubo. (T3) Salida fría del tubo.

La formulación utilizada al realizar los

experimentos de síntesis y separación, fue el

nivel 2 con el cual se obtuvieron los

resultados más prometedores en la fase de

síntesis; al realizar los experimentos se

comenzó con la presión de 20 psig y se varió

la temperatura.

Se cargaron los recipientes 1 y 2 con 94 ml de

solución de los reactivos y los recipientes 3 y

13

4 con 10 ml de agua des-ionizada en todos los

casos.

Se llevó a cabo el experimento a una

temperatura de 50ºC en ambos recipientes; se

tomaron muestras y después de 2 horas,

únicamente se obtuvo una muestra por el lado

frío del tubo, donde fue posible recoger 2 ml

de una solución incolora. El espectro UV-Vis

no presenta el pico representativo, solo una

curva descendente, con un cambio de

pendiente cerca de los 400 nm, lo cual

significa que la muestra de nanopartículas es

muy poli-dispersa, o estas no se encuentran

en la solución. Lo anterior se ve en la Figura

14.

Figura 14. Espectro de la salida fría, a 50ºC.

En la siguiente temperatura (60ºC), al cabo de

dos horas de proceso, se obtuvo una muestra

de 1.5 ml para la salida caliente y 1.8 ml para

la salida fría. Las soluciones presentan una

coloración similar y el espectro UV-Vis que

se observa en la Figura 15 también muestra

un cambio de pendiente en los 400 nm para la

salida fría, pero la salida caliente muestra un

cambio mas pronunciado cuando se acerca a

los 300 nm.

Figura 15. Resultados del espectro UV-Vis a 60ºC:

no se presenta ningún pico.

En el experimento a 70ºC, se observa en los

recipientes 1 y 2 un descenso del nivel de los

reactivos, que en un principio se asoció a un

mayor transporte de los mismos; sin embargo,

estos no presentan un resultado que apoye la

síntesis debido a que la coloración de las

muestra a la salida no varió. Aunque el

espectro UV-Vis, que se observa en la Figura

16, aumenta el nivel de absorbancia

considerablemente con respecto a los

anteriores, sigue sin aparecer el pico

representativo de las nanopartículas.

Figura 16. Espectro UV-Vis de las salidas a 70ºC, sin

presencia de picos después de 2 horas.

De acuerdo con la Figura 16, se observa que

la concentración de la corriente caliente es

mayor que la concentración de la corriente

fría, contrario a lo que ocurre en los casos

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

300 400 500 600

Ab

s

Long. onda (nm)

Salida fría

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

300 400 500 600

Ab

s

Long. Onda (nm)

Salida caliente

Salida fría

0

0,5

1

1,5

2

300 400 500 600

Ab

s

Long. Onda (nm)

Salida fría

Salida caliente

14

anteriores. Se puede asociar este cambio a la

mayor temperatura, lo cual facilita la salida

hacia el lado caliente. Al parecer la

temperatura de 70ºC, acondiciona la corriente

de entrada, de modo que es más proclive a

salir directamente por el lado caliente cuando

llega a este extremo.

Con los resultados que se obtuvieron se halló

la concentración, por medio de la ecuación de

calibración del área debajo de la curva,

puesto que ningún resultado tiene el pico

característico. Estos se pueden observar en la

Figura 17, los resultados están en el límite

óptimo de determinación de la curva, para los

experimentos a mayor presión.

Figura 17. Concentraciones de las soluciones

obtenidas a la salida del tubo RH.

Separación en el tubo RH

Se realizó el proceso de control para la

presión de 20 psig. Se preparó una solución

de nanopartículas con la formulación

propuesta, (nivel 2) la cual presenta una

coloración bastante visible incluso al ser

diluida en agua 6 veces. Al estar tan

concentrada la mezcla, el espectro UV-Vis de

la solución, que se ilustra en la Figura 18,

muestra claramente el pico en 389 nm,

aproximadamente. La concentración de

acuerdo con la curva de calibración, Ecuación

8, para la formulación nivel 2, con pico es de

0,0039 M en el límite del rango óptimo de la

curva de calibración.

Figura 18. Espectro UV-vis de nanopartículas de

plata, con la formulación nivel 2.

Al realizar las pruebas a las diferentes

temperaturas con la solución de

nanopartículas, se observó en todos los casos

que los recipientes 3 y 4 que recolectaban las

salidas fría y caliente del tubo,

respectivamente, no cambiaban de color en

las primeras 2 horas. A continuación, se

amplió el tiempo de duración de estos

experimentos hasta las 3 horas, periodo en el

cual la solución de nanopartículas se

encontraba con un volumen muy por debajo

del mínimo recomendado por el

humidificador, sin embargo, la coloración de

los recipientes no cambió.

Con los resultados de esta prueba no fue

posible obtener ninguna muestra positiva,

debido a que después de 3 horas de proceso,

solo aumentó en menos de 1 ml el volumen

de los recipientes recolectores en ambas

salidas, lo que dificultó el poder observar

algún resultado en el espectro UV-Vis, en el

cual solo se vio la línea base como si lo único

que se encontrara fuera agua.

Cuando finalizó el experimento a la

temperatura de 60 y 70ºC, se observó en el

recipiente de alimentación una aglomeración

inesperada: se formó una capa muy delgada

de plata en las paredes y se descartó seguir

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

50 60 70

Temperatura [ºC]

Co

nce

ntr

ació

n [

M] 20 Fría

20 Caliente

0

0,5

1

1,5

2

300 400 500 600

Ab

s

Long.Ond (nm)

15

experimentando a estas temperaturas, con la

formulación de nivel 2.

Debido a estos resultados se decidió

experimentar con la formulación estándar

(nivel 1), con el fin de determinar si se

seguían encontrando los mismos resultados

variando solamente la presión y manteniendo

la temperatura en 50ºC.

Se preparó una solución de nanopartículas

con la formulación estándar, la cual tiene una

coloración amarilla clara, que corresponde

con la formulación. El espectro UV-Vis

muestra el pico característico en 415 nm y la

concentración es de 0,0005M según la curva

de calibración: esto se indica en la Figura 19.

Figura 19. Espectro UV-Vis de nanopartículas de

plata alimentadas en los siguientes experimentos,

con la formulación estándar.

Al realizar el experimento a 20 psig se obtuvo

únicamente una muestra de 2.3 ml por la

salida fría del tubo, sin coloración aparente.

En el espectro UV-Vis de la muestra (Figura

20) se observa un leve pico de 0,08 Abs a los

400 nm, consistente con el de las

nanopartículas.

Para la siguiente presión de 25 psig se obtuvo

una muestra de 1.4 ml, por la salida fría; esta

no presenta coloración de la solución, aunque

en comparación con el resultado anterior hay

una disminución del volumen recolectado. El

espectro UV-Vis de la muestra en la Figura

20 no presenta picos, aunque sigue estando en

el mismo orden de magnitud que el resultado

anterior.

Figura 20. Espectro UV-Vis de la salida fría a 20 y

25 psig.

La muestra obtenida se guardó para su

posterior observación con el microscopio

electrónico de transmisión “TEM”; con los

resultados de los siguientes experimentos se

hará lo mismo.

Figura 21. Imagen TEM de la salida fría a 25 psig.

En la imagen TEM para la salida fría del

experimento a 25 psig, como se ilustra en la

Figura 21, se encuentran nanopartículas muy

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

300 400 500 600

Ab

s

Lon.Ond (nm)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

300 400 500

Ab

s Long.Ond [nm]

Salida fría P20 T50

Salida fría P25 T50

16

dispersas; utilizando el programa “ImageJ”,

se miden las nanopartículas y se observa que

tienen un tamaño medio de 14.65 nm, una

desviación estándar de 16.41 nm, donde el

mínimo es de 5.35 nm y el máximo es de 73.9

nm.

A la presión de 30 psig, se obtuvo únicamente

por el lado frío una solución de 2 ml y no se

notó un cambio de coloración aparente. Al

observar el espectro UV-Vis se nota un leve

cambio de pendiente al acercarse a los 400

nm, como se detalla en la Figura 22.

Figura 22. Espectro UV-Vis de la salida fría a 30

psig. Se muestra un cambio de pendiente

comenzando en los 379 nm.

Figura 23. Imagen TEM de la salida fría a 30 psig.

Al observar la imagen TEM de la Figura 23,

se revela la existencia de nanopartículas

aglomeradas; se indica que tienen un tamaño

medio de 10.65 nm y una desviación estándar

de 9.71 nm, donde el mínimo es de 3.26 nm y

el máximo es de 38.69 nm.

Debido a la falta de resultados por la

corriente caliente, se consideró la posibilidad

de que la solución, se estuviera escapando de

alguna manera; por tanto, se decidió

implementar un sistema de refrigeración en la

salida caliente, de modo que se pudiera

descartar una pérdida de vapor. Antes de

realizar estas adecuaciones, se hizo una

inspección del montaje para buscar posibles

obstrucciones o espacios donde se

acumularan las nanopartículas.

Se desensambló todo el montaje y se tomaron

muestras de cada parte, para su posterior

caracterización por el espectro UV-Vis que se

representa en la Figura 24. Fue posible

observar una acumulación considerable de

nanopartículas de plata en la unión de un

empate del recipiente, que recibe la salida del

tubo caliente; este presenta un pico definido

de 400 nm que corresponde a la muestra

número 9, e igual sucede con la muestra

número 4, la cual corresponde al interior del

tubo; sin embargo, el nivel de absorbancia es

0

0,05

0,1

0,15

0,2

300 400 500 600

Ab

s

Long. Onda (nm)

17

de 0.06 por fuera del rango de la curva de

calibración, ya que las nanopartículas se

pegan a la superficie del interior del tubo.

La tabla del anexo 5 señala a qué parte del

montaje hace referencia cada muestra de la

Figura 24.

Figura 24. Espectros UV-Vis de la partes del montaje.

La muestra #9 fue observada por el TEM y se

encontraron nanopartículas aglomeradas de

diferentes diámetros. Se nota que tienen un

tamaño medio de 95 nm y una desviación

estándar de 87 nm, donde el mínimo es de 17

nm y el máximo es de 331 nm, como se

ilustra en la Figura 25. No obstante, es muy

probable que estas nanopartículas sean el

aporte de varios o todos los experimentos

anteriores.

Figura 25. Imagen TEM de la unión de la salida

caliente y el recipiente recolector.

Luego de limpiar y acoplar de nuevo el

montaje, se incorporó a la salida caliente un

pequeño sistema de refrigeración a base de

hielo.

Se repitió el experimento a 30 psig y 50ºC,

obteniendo de esta forma resultados positivos

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

300 350 400 450 500 550 600

Ab

s

Long. Onda (nm)

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra 10

18

por ambos lados del tubo; no se presentó

coloración en las muestras igual que en los

experimentos anteriores. El espectro UV-Vis

muestra una diferencia grande entre las dos

salidas: la salida fría se comporta de la misma

forma que en los resultados anteriores, pero la

caliente es mucho más baja como se observa

en la Figura 26.

Figura 26. Espectro UV-Vis de las salidas a 30 psig

con refrigeración.

Figura 27. Imagen TEM de la salida caliente con

refrigeración para 30 psig.

La imagen TEM de la salida caliente con

refrigeración que se ilustra en la Figura 27,

muestra pequeños grupos de nanopartículas,

con un tamaño medio de 24.7 nm, una

desviación estándar de 5.7 nm, donde el

mínimo es de 15.4 nm y el máximo es de

34.5 nm. Por lo tanto, se puede advertir que sí

es posible que parte de las nanopartículas se

escaparan por una corriente de mayor

temperatura que las mantiene en el aire y no

permite que sean atrapadas al burbujearlas en

el agua del depósito; mientras tanto, otra

parte se queda en la unión del recipiente

recolector.

Inyección líquida al tubo RH

En el experimento final se utilizó la solución

de nanopartículas de la formulación estándar,

la cual se inyectó directamente al tubo; este

proceso se realizó a temperatura ambiente,

para las presiones 25 y 30 psig. Con el fin de

utilizar el tubo RH en estado estable, se

esperó un lapso de 20 minutos después de

encender el dispositivo y se inyectó la

muestra de nanopartículas. Cinco minutos

después se detuvo el experimento y se

recogieron las muestras.

Estos experimentos dieron los mismos

resultados en todos los intentos, esto es, una

solución con coloración amarilla en ambas

salidas. La salida fría tuvo un tono más tenue,

el espectro UV-Vis que se observa en la

Figura 28 muestra picos definidos en el rango

de 400 a 420 nm; existe una preferencia por

la salida caliente, con una mayor absorbancia

para la presión de 30 psig, contrario a lo que

sucedió con los experimentos anteriores.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

300 400 500

Ab

s

Long.Ond [nm]

Salida fría P30 (hielo)

Salida caliente P30 (hielo)

19

Figura 28. Espectro UV-Vis para las salidas de mezclas inyectadas a 25 y 30 psi.

Por último, se calculan las concentraciones de

acuerdo con la curva de calibración para la

formulación nivel 1 dependiendo de si tiene o

no pico la curva, como se puede reconocer en

la Figura 29. Se observa que la salida fría

aumenta a mayor presión cuando la

dosificación es por medio del arrastre, pero si

la dosificación se da por medio de inyección

al tubo parece que ambas salidas aumentan, si

bien en mayor medida, la salida caliente.

En algunos experimentos no se logra alcanzar

el límite mínimo de área bajo la curva para

obtener una conversión a concentración; se

puede considerar que estos son resultados

fuera del rango posible de detección.

Figura 29. Concentraciones obtenidas de los experimentos con arrastre e inyección directa de nanopartículas de

plata con una concentración de 0,0005M.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

300 350 400 450 500

Ab

s

Long.Ond [nm]

Inyección caliente P 25

Inyección fría P 25

Inyección caliente P 30

Inyección fría P 30

0,0000000

0,0000100

0,0000200

0,0000300

0,0000400

0,0000500

0,0000600

0,0000700

0,0000800

0,0000900

0,0001000

20 25 30

Presión [psig]

Co

nce

ntr

ació

n [

M]

50 fría

50 caliente

Refrigeración fría

Refrigeración caliente

Inyección fría

Inyección caliente

20

IV. Conclusiones

Como resultado de los experimentos con la

síntesis, cuando la presión de alimentación al

sistema es de 10 psi, se evidencia una alta

dependencia de la temperatura para la

capacidad de transportar las gotas de los

reactivos, por lo cual es mejor utilizar altas

temperaturas cercanas a los 50ºC. El volumen

no afecta la síntesis, ya que se obtienen

resultados similares en ambos niveles. Por

otra parte, la formulación de las

nanopartículas tiene mayor relevancia, pues a

mayor concentración es más rápida su

detección: de hecho, en el nivel 2 se logra

detectar nanopartículas, entre 30 minutos y 1

hora después de comenzado el experimento.

La duración de los experimentos es un punto

critico que se debe considerar en las

variables, puesto que la síntesis de

nanopartículas muestra un tiempo mínimo

antes de comenzar a detectarse, pero no un

máximo donde se estabilice el proceso.

Se observan pequeñas gotas de color amarillo

delante de la unión que se encuentra en la

cánula, evidencia de que la reacción se da a lo

largo de esta para luego ser recolectadas en el

tercer humidificador.

El resultado de los experimentos de síntesis y

separación del tubo RH muestra que los

reactivos no logran entrar en contacto antes

del ingreso al tubo, tendiendo en cambio a

disminuir su capacidad de reaccionar a

medida que se aumenta la presión.

La temperatura superior a los 70ºC parece ser

un límite para la operación: es posible que la

solución empiece a perder agua, ya que esta

es la única que está arrastrando el flujo de

aire, aunque haya una temperatura menor a la

de saturación del agua, en las distintas

presiones de operación.

Para el montaje utilizado, únicamente fue

posible adecuar la presión a un máximo de 30

psi, debido a que el material de los

humificadores que se utilizaron no soportaba

una presión mayor a esta, durante tiempos

prolongados.

El trabajo con soluciones de nanopartículas

presenta varios resultados inconclusos: se

observa que las temperaturas cercanas a los

50ºC son mejores para facilitar el trasporte de

los reactivos o las nanopartículas desde los

recipientes hasta el tubo, pero dichas

temperaturas disminuyen en este trayecto por

causa del aire alimentado.

La presión parece depender del tipo de

alimentación, por tanto, es mejor utilizar

presiones pequeñas para el transporte por

arrastre de aire y mayores, cuando se inyecta

en el flujo directamente.

La alimentación de las soluciones al tubo RH

juega un papel importante, dado que los

resultados al suministrar las soluciones de

nanopartículas utilizando el flujo de aire para

arrastrar las partículas favorece la

acumulación de producto por el lado frío;

mientras que, al emplear la inyección directa

en el flujo se favorece la salida caliente. Este

comportamiento necesita más investigación.

Uno de los resultados parciales más

llamativos fue el siguiente: el proceso mostró

características de separación preferente según

los tamaños de partículas. De acuerdo con las

mediciones del programa “ImageJ”, se

observa una recolección de nanopartículas del

orden de 5 a 20 nm, con un tamaño promedio

de 12 nm, por el lado frío y las de 18 a 35 nm

y un tamaño promedio de 24 nm, por el lado

caliente.

21

V. Trabajos futuros

Los resultados anteriores abren nuevas

inquietudes sobre las condiciones de

operación del tubo RH, sin embargo, se

necesita una mayor investigación para

sensibilizar los límites y las interacciones de

los parámetros.

Debido a varios inconvenientes con los

límites físicos del montaje por desgaste, se

recomienda utilizar recipientes de mayor

resistencia con el fin de evaluar presiones

altas, dado que el tubo no fue operado a las

presiones recomendadas de 80 a 100 psi.

Para futuros experimentos es aconsejable

comprobar si existe o no dependencia de la

válvula de control de la fracción de frío,

frente a la separación de las soluciones de

nanopartículas, e incluso considerar construir

un tubo RH con una mayor longitud para

aumentar el tiempo de residencia de la

solución dentro del tubo.

Analizando el montaje, se considera que el

módulo 1 de alimentación es parte crucial

para el correcto funcionamiento del proceso;

es muy posible que la síntesis se pueda dar en

un proceso continuo siempre y cuando, se

garantice que los reactivos sí alcanzan a

interactuar el tiempo necesario, por lo cual se

debe pensar en una manera que obligue el

contacto de los reactivos con mayor

eficiencia que en el actual.

Se considera que utilizar placas paralelas

perforadas, de forma que por cada extremo

entren los reactivos y haya una colisión

forzada de los mismos antes de ingresar al

tubo RH, puede ser una muy buena

alternativa, para ser implementada.

Se recomienda realizar una comparación

computacional por medio de una simulación

de CFD de ambos casos para conocer

posibles problemas en la alimentación.

Los estudios del tubo RH en simulación se

limitan a una sola fase (en la mayoría de los

casos, gaseosa), o recomiendan una humedad

límite del flujo alimentado [7]; debido a lo

anterior, se sugiere realizar una simulación en

CFD con material particulado dentro del flujo

de alimentación al tubo, que valide o no los

resultados actuales.

VI. Referencias

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http://www.onemagazine.es/noticia/197

91/Industria/La-nanotecnologia-

generara-un-negocio-global-cercano-a-

los-2.000-millones-en-2015.html.

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caracterización de un tubo Ranque-

Hilsch,» Revista Brasileira de Ensino de

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Zeegers y J. G. M. Kuerten, «Droplet

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2011.

[8] Baker y Rathkamp, «Investigations on

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Ridge national laboratory, 1956.

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RESULTS OF A VORTEX TUBE AIR

SEPARATOR FOR ADVANCED

SPACE TRANSPORTATION,» Seattle

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INVESTIGATION OF THE RANQUE-

HILSCH VORTEX TUBE AS A

PARTICLE SEPARATION DEVICE

FOR THE PBMR,» 2010.

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INVESTIGATION OF THE EFFECT

OF THE HOT END PLUGS ON THE

EFFICIENCY OF THE RANQUE-

HILSCH VORTEX TUBE,» Journal of

Engineering Science and Technology,

vol. 2, nº 3, pp. 211-217, 2007.

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síntesis de nanopartículas: controlando

forma y tamaño,» Mundo Nano, vol. 5,

nº 1, pp. 69-81, 2012.

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Sintesis y Caracterización de Particulas

Nanoestructuradas del sistema Gd2‐

xEuxO3 con un porcentaje atómico de

1% en europio y del sistema Gd2O3,»

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[17] G.-P. M, Puyol y Alonso, «Continuous

flow synthesis of nanoparticles using

ceramic microfluidic devices,» 2010.

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dentales,» nanomex.

[19] Avalos, Haza, Mateo y Morales,

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APLICACIONES Y RIESGOS

TÓXICOS PARA LA SALUD

HUMANA Y EL MEDIO

AMBIENTE,» Revista complutense de

ciencias veterinarias, pp. 1-23, 2013.

[20] S. Solomon, M. Bahadory, A.

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http://www.exair.com/vortextube/vt

page.htm. . [Último acceso: julio 2014].

[22] R. D. Torrenegra G, Introduccion al

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«Nanopartículas de Plata,» Buenos

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Aires, S.F.

[24] D. Grosso y L. Gutierrez, «SÍNTESIS

CONTINUA DE NANOPARTÍCULAS

DE SÍLICE DENSA RECUBIERTAS

CON ORO,» [En línea]. Available:

http://www.jornadasaugm.ufpr.br/augm

_cd/nucleos/055.html. [Último acceso: 5

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[25] M. Roco, C. Mirkin y M. Hersam,

Nanotechnology Research Directions for

Societal Needs in 2020, Los angeles:

Springer, 2010.

24

Anexos

Anexo 1. Materiales Para el montaje:

Cantidad Producto

1 Línea de aire comprimido con válvula de regulación

2 Planchas de calentamiento

4 Humidificadores oxígeno medicinal.

2 Cánulas de oxígeno

1 Te plástica de ¼ rápido

1 ¼ npt H. centro

1 Conector de ¼ npt x 10 mm

4 Diss de ¼ npt

4 Uniones de ¼ npt

4 Conectores ¼ npt x ¼ rápido

1 Te de ¼ rápida plástica

2 Conectores de ¼ x unión ¼ x ¼ rápido conector ¼ npt x 6 mm

1 1/8 npt x ¼ rápido

1 Unión de 1/8 npt

Diseño de los montajes utilizados

Figura 30. Montaje de flujo continuo de aire para la síntesis de nanopartículas con los reactivos en baño de María.

25

Figura 31. Montaje general para la fase de síntesis y separación.

Figura 32. Montaje con refrigeración en la salida caliente.

Anexo 2. Las dimensiones y condiciones de uso para este proyecto del tubo RH fueron las

siguientes:

26

Dimensiones del tubo

Abertura de la válvula de control 1vuelta y ¼ Iniciando totalmente cerrada.

Largo 9,58 cm

Diámetros en cm

Interno Externo

Frio 1,4 1,89

Caliente 0,93 1,32

Entrada tubo 0,62 0,74

Interno Externo Entrada

Generador 0,45 0,65 0,27

Sleeve 0,51 0,61 0,47

Anexo 3. Curvas de calibración de las nanopartículas de plata sintetizadas del modo por lotes.

Para el nivel 1: La concentración inicial de plata para la solución inicial, es de 0.00043M

Figura 33. Diluciones para nanopartículas de plata, para el nivel 1 de formulación.

Curvas de calibración de la concentración con respecto al pico máximo y al área debajo de la curva

del espectro de absorbancia.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

300 350 400 450 500

[Ab

s]

Long.Ond [nm]

Entrada inyección

Entrada 2 ml

Entrada 1 ml

Entrada 0.5 ml

Entrada 0.25 ml

Entrada 0.2 ml

Entrada 0.15 ml

Entrada 0.1 ml

Entrada 0.08 ml

Entrada 0.05 ml

Entrada 0.03 ml

27

Los límites se calculan con la curva de Ringbom tomando los límites donde la curva es recta.

El error analítico de acuerdo con la siguiente ecuación ∆𝐶

𝐶% = 230.3 ∗

𝐸𝑖

𝑚

Donde:

Ei es el error del instrumento y depende del valor calculado por este, según una gráfica que se

encuentra en los libros de análisis.

m es la pendiente de la curva de Ringbom.

Para el nivel 2: La concentración inicial de plata para la solución es de 0.005M

y = 0,0002x - 8E-07 R² = 0,9998

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0 1 2 3

Co

nce

ntr

ació

n [

M]

Absorbancia [abs]

Pico

Lineal(Pico)

y = 1E-11x3 - 3E-09x2 + 2E-06x - 2E-06

R² = 0,9999

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0 50 100 150 200 250

Co

nce

ntr

ació

n [

M]

Área bajo la curva de absorbancia

área

Polinómica (área)

0

20

40

60

80

100

-6 -5 -4 -3

%T

LogC

Ringbom

28

Figura 34. Diluciones para nanopartículas de plata, para el nivel 2 de formulación.

Curvas de calibración de la concentración con respecto al pico máximo y al área debajo de la curva

del espectro de absorbancia .

Los límites se calcula con la curva de Ringbom tomando los límites donde la curva es recta.

y = -8E-05x4 + 0,0006x3 - 0,0016x2 + 0,0038x - 0,0002

R² = 0,9987

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0 1 2 3

Co

nce

ntr

ació

n [

M]

Absorbancia [abs]

Pico

Polinómica (Pico)

y = 1E-10x3 - 9E-08x2 + 3E-05x - 0,0002

R² = 0,9986

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0 100 200 300

Co

nce

ntr

ació

n [

M]

Área bajo la curva de absorbancia

área

Polinómica (área)

0

20

40

60

80

-5 -4 -3 -2

T

Log C

Ringbom

29

Anexo 4: Resultados del espectro para los primeros 4 experimentos de la fase de síntesis:

Tabla 5. Medición del pH para los productos, reactivos y blanco del experimento nivel 1 de formulación y

temperatura.

Muestra de 10 ml pH

1.12mM de AgNO3

2.99mM de citrato de

sodio

6.583

9.52mM de NaBH4 8.945

Producto en solución de

agua 7,823

Blanco con

nanopartículas 8.171

Anexo 4.1: Propiedades del fluido.

Temperatura de saturación para el agua por la ecuación de Antoine:

Presión [psi] T[ºC]

20 108,8764596

25 115,6089041

30 121,3114615

Las propiedades de aire húmedo a una temperatura ambiente de 25°C.1

Pr = 0,7

Cp = 1,005 KJ

KgK

1 Villamar, Carlos. Tablas y diagramas de termodinamica. [En línea] 2010. [Citado el: 19 de 1 de

2015.]

http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/villamar/MATERIAS%20DICTADAS/TERMODINAMIC

A%201/Termo%201%20Presentaciones/Tablas%20Termodinamica.pdf.

30

Cv = 0,718 KJ

KgK

Anexo 5: Muestras que se tomaron del montaje para revisión.

Muestra Parte del tubo Imagen

1 Racord de la salida caliente.

2 Entrada del tubo.

3 Racord de la salida fría.

4 Interior del tubo.

5 Racord y unión de la entrada.

6 Generador de Vortex.

31

7 Válvula de control del tubo.

8 Racord y unión del recipiente

de la salida fría.

9 Racord y unión del recipiente

de la salida caliente.

10 Diss de la salida caliente.

Anexo 6. Experimento adicional en fase líquida continua.

Figura 35. Montaje en estado continuo con soluciones en estado líquido.

Se prepararon soluciones de 1.12mM de AgNO3, 0.33 M de PVP, 2.99mM de citrato de sodio,

9.52mM de NaBH4. En un embudo se depositan 22.72 mL de AgNO3, 13.63 mL de PVP y 13.63

de citrato, mientras en el segundo embudo se carga 50 mL de NaBH4.

Se abre la válvula de salida para dejar fluir la totalidad de la solución.

32

Figura 36. Resultado de la síntesis de nanopartículas de plata mediante el método continuo en fase líquida. La

coloración amarilla indica la presencia de nanopartículas de plata.

Como es posible observar, en la unión de ambos tubos por donde fluyen los reactivos se presenta un

cambio de coloración, el cual es un indicador de que la reacción se está dando de manera

instantánea. De igual forma, se evidencia un color amarillo oscuro que implica la presencia de

nanopartículas de forma esférica en una concentración muy elevada.

También se caracterizó la solución en el espectrofotómetro donde fue posible evidenciar un pico

cercano a una longitud de onda de 400, que era muy elevado debido a la alta concentración de la

muestra.

Figura 37. Resultado del Espectro UV-VIS para el método continuo en fase líquida.

Como el experimento fue exitoso, se decidió obtener la reacción con un mejor control en la

proporción de los reactivos, el cual debía ser de 1 a 4 del nitrato de plata con respecto al

borohidruro de sodio; debido a que la fuerza de arrastre proporcionada por el flujo de aire es la

misma en ambos recipientes, se debía garantizar que se guardara esta proporción para obtener una

correcta reacción. Allí se procedió a realizar una prueba en blanco la cual se presento de manera

continua y en estado líquido.

Figura 38. Resultado del blanco para una proporción de 4 : 1 de nitrato de plata con respecto a borohidruro de

sodio.

0

1

2

3

300 400 500 600Ab

sorb

anci

a [A

bs]

longitud de onda [nm]

33

Se nota una coloración de amarillo muy claro, por lo cual se asume que también hay nanopartículas

de plata. Sin embargo, este experimento no se realizó con agitación a lo que puede atribuirse una

posible reacción incompleta.

Para determinar la presencia de nanopartículas en el contenido de esta solución se decidió realizar

una prueba de UV-Vis con un barrido de longitudes de onda, donde fue posible observar los

resultados que se muestran a continuación:

Figura 39. Resultado del espectro UV-Vis del blanco 4:1 de nitrato de plata con respecto a borohidruro de sodio. Se

observa que el pico característico de la muestra está por el orden de 450 nm.

Comparando estos resultados con la curva de absorbancia de las nanopartículas de plata, es posible

darse cuenta de que el pico característico no coincide ya que la longitud de onda esperada debe estar

en 400 nm; por lo tanto, se concluye que el blanco realizado no tiene el resultado esperado, lo cual

puede ser atribuido a la variación de la concentración del borohidruro de sodio que fue disminuida

cuatro veces a la usada normalmente.

0

0,05

0,1

0,15

300 400 500 600Ab

sorb

anci

a [a

bs]

Longitud de onda [nm]