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Informe sobre area superficial con el equipo BET...

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA REFINACION DEL PETROLEO LABORATORIO DE CATALIZADORES

Determinación del área Superficial BET 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar el área superficial de muestras de sólidos por medio de la isoterma BET. 1.2. Determinar cómo funciona el equipo de medición del área superficial 1.3. Conocer los fundamentos de la Fisisorción y Quimisorción. 1.4. Conocer los fundamentos detrás del Área Superficial BET. 2. TEORÍA 2.1. Fundamentos Área Superficial BET 2.1.1. Fundamento “El análisis de área BET proporciona el valor del área superficial calculado por el método Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett, and Edward Teller (BET). La información obtenida a partir del volumen adsorbido permite determinar el área, la distribución porosa, el tamaño y volumen de poros en la muestra. Esta técnica se aplica cuando las muestras presentan microporos (< 2 nm) y mesoporos (2-50 nm)”. (Martín J.,2000) 2.1.2. Procedimiento “La superficie del sólido debe encontrarse inicialmente limpia, para lo que se calienta el sólido en alto vacío. Alternativamente puede evaporarse y recondensar el sólido en alto vacío, bombardear la superficie con iones o romper el cristal sólido en el vacío generando así una superficie limpia. El sólido se introduce entonces en un nuevo recipiente con una cantidad conocida de gas y se deja que se alcance el equilibrio”. (Suarez, 2010) 2.2. ¿Cuántas y cuáles son las isotermas con las que trabaja? Existen seis isotermas de adsorción estándares para gases en sólidos: 2.2.1. “Denominada isoterma de Langmuir, corresponde a una adsorción en monocapa. La cantidad adsorbida aumenta con P hasta alcanzar un valor límite correspondiente al recubrimiento de la superficie por una monocapa. Es la isoterma característica de un proceso únicamente de quimisorción”. (Suarez, 2010) 2.2.2. “El tipo II, es indicativo de una adsorción física en multicapa. El rápido ascenso inicial corresponde a la formación de la primera capa, que tiene en este caso una constante de formación mayor que para el resto de capas (la entalpía de formación de la primera capa es más negativa que para el resto de capas).” (Suarez, 2010)

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2.2.3. “El tipo III, corresponde también a una adsorción física en multicapas pero donde la constante de equilibrio de formación de la primera capa es igual que para las siguientes”. (Suarez, 2010) 2.2.4.” El tipo IV y V, corresponde a adsorción en multicapas sobre materiales porosos. Difieren del Tipo II y III por la presencia de una rama horizontal (saturación) y un ciclo de histéresis (las curvas de adsorción y desorción difieren). El ciclo de histéresis es debido a la condensación por la forma irregular de los capilares”. (Suarez, 2010) 2.2.5.”Una isoterma tipo VI, donde la forma de los escalones depende del sistema y la temperatura, representa una adsorción en multicapas sobre una superficie uniforme no porosa”. (Gregg, 1995) 2.3. ¿Cuáles son los gases con los que trabaja? 2.3.1. “Helio (tanque café), con una presión de gas de 700 psi y una presión enviada al equipo de 50psi”. (Suarez, 2010) 2.3.2. “Aire Sintético (Tanque blanco), con una presión de 800 psi en el tanque y una presión de 50 psi enviada al equipo”. (Suarez, 2010) 2.3.3. “Nitrógeno (tanque amarillo), con una presión de 2400 psi y una presión enviada al equipo de 55 psi. (Olga B, 2007) 2.4. Adsorbancia “La fisisorción es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no lo son y no existe una selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente. En general, los gases muy polarizables son adsorbidos más fácilmente. Las moléculas del gas se mantienen unidas a la superficie del sólido por medio de fuerzas de Van der Waals (interacciones dipolares, dispersión y/o inducción)”. (Suarez, 2010) 2.5. Desgasificación “Proceso que permite retirar quitar la humedad de una muestra. La desgasificación de las muestras se realiza en el mismo equipo, en corriente de gas y a la temperatura que se solicite por el usuario. La desgasificación de muchas sustancias a menudo se logra mediante la aplicación de un vacío, purgando la muestra en una corriente fluyente de un gas no reactivo, seco, o mediante la aplicación de un método de ciclo de desorción-adsorción. Es importante ya que si influye en los resultados obtenidos”. (Martín J., 2000) 2.6. ¿Qué relación existe entre el nitrógeno en gas y en líquido?

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“El equipo de Medición de Porosidad y Área de Superficie permite adsorción de gas nitrógeno a temperatura de nitrógeno líquido en un modo de flujo dinámico. Se puede determinar área de superficie real de una muestra y también una distribución de tamaño de porosidad”. (Martín J., 2000)

2.7.

¿Cuál es la temperatura de nitrógeno líquido? “Líquido incoloro a muy baja temperatura, Sin olor que advierta de los riesgos de su presencia”. (Praxair, 2002) Propiedades: - Temperatura de fusión: - 210º C. - Temperatura de ebullición: -195,80º C - Temperatura crítica: -146,95º C Fundamento de la Desorción “La desorción es la operación unitaria inversa a la absorción. Cuando un gas absorbido en un líquido, se separa del líquido por medio de otro gas (no soluble en el líquido) la operación se denomina desorción. Dado que los efectos térmicos que acompañan a la absorción o a la desorción suelen ser muy pequeños, supondremos que estas operaciones se verifican isotérmicamente”. (Martínez, 2006)

2.8.

3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Materiales y Equipos  Celda de Cuarzo  Balanza analítica  Chaqueta Térmica  Equipo Área Superficial BET  Manómetro  Vaso de Precipitación 3.2. Reactivos:  Nitrógeno Líquido  Helio  Nitrógeno  Aire Sintético puro 3.3.    

Rango: 200 g Rango: 10 bar Rango: 50 mL

Ap.: ± 0.0001 g Ap.: ± 0.1 bar Ap.: ± 5mL

Fórmula:

N2(l) He2(g) N2(g)

Procedimiento.

Pesar una celda vacía en la balanza analítica, la cual se utilizara para contener la muestra. Colocar dentro de la celda y pesar una cantidad adecuada de muestra (aproximadamente 0.2 g) dependiendo del área superficial esperada. Ubicar la celda con muestra en la estación de preparación de muestras del equipo, para proceder con el proceso de secado y así eliminar la humedad y otras impurezas presentes en la muestra. Llenar 2/3 del frasco de Dewar con nitrógeno líquido para enfriar la muestra.

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Una vez terminado el proceso de preparación de la muestra, colocar la celda con la muestra en la estación de medición.  Controlar y seguir el ensayo durante sus etapas de adsorción y desorción del gas inyectado en la muestra.  Registrar el valor de área superficial generado por el equipo en m2/ celda.  Una vez finalizado el ensayo, pesar nuevamente la celda con la muestra, este valor es el que nos servirá para calcular área superficial en m 2 por gramo de muestra. 3.4. Fundamento del método 

Teoría Brunauer - Emmett – Teller (BET) Es una teoría propuesta por Brunauer, Emmett y Teller (1938), la cual se basa en un modelo cinético del proceso de adsorción en monocapa propuesto en 1916 por Langmuir, modelo que toma en cuenta la formación de multicapas.

4. DATOS 4.1. Datos Experimentales

CATALIZADOR CCR

Muestra (g)

Regenerado Gastado

0.1435 0.1516

Tabla 4.1-1 Datos de pesos Peso de la Peso de celda celda vacía + muestra (g) (g) 13.2015 13.345 13.2130 13.3646

Área (m2/celda) 16.12 15.20

Fuente: Laboratorio de Catálisis. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería Química 5. CÁLCULOS Modelo basado en el catalizador regenerado 5.1. Cálculo peso de la muestra (R) Y − X=R Ec . 5.1−1 Y =Celda de cuarzo+ muestra

X =Celdade cuarzo R=Muestra

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Y − X=R

R=13.345 g−13.2015 g=0,143 5 g 5.2.

Cálculo Área Superficial BET Área Superficial BET =

Z Ec .5.1 −2 R

m2 celda Área Superficial BET = 0,1435 g 16,12

2

Área Superficial BET=112,33

m g

6. RESULTADOS Área Superficial BET (m2/g)

Tabla 6.1-1 Área Superficial BET Catalizador Regenerado 112.33

Catalizador Gastado 100.26

7. DISCUSION El método usado en la práctica tanto cualitativo como cuantitativo fue valido ya que de manera cualitativa pudimos ver el funcionamiento del equipo de Área Superficial Bet y la proyección de las isotermas que generaba el análisis de las muestras mientras que de manera cuantitativa se obtuvieron datos con los cuales se pudo determinar el área superficial. Los errores fueron de tipo aleatorio ya que no se desgasifico la muestra con antelación y al momento de medir las isotermas no arrojaron un valor correcto. Otro error aleatorio importante radica tanto en el pesado del material así como la introducción del mismo en la celda, ya que si se hace de manera lenta parte del material se quedará adherido a las superficies de la celda sesgando aún más los resultados que se puedan obtener. Se recomienda que al ingresar la muestra a la celda se lo haga en un proceso rápido con la finalidad de que parte de esta no se quede en los bordes de la celda debido a que esta es muy liviana. 8. CONCLUSIONES 8.1. Es factible la determinación del Área superficial a través del sistema BET la cual se fundamenta en las curvas isotermas que involucran la adsorbancia y la desorbancia. 8.2. Se determinó que el área superficial de las muestras son de 112,33 m2 por gramo y de 100,26 m2 por gramo (Tabla 6.1-1), denotando que la isoterma utilizada para la experimentación es del tipo ll (BET) debido a que la primera isoterma ignora la posibilidad de formación de capas de fisisorción sobre la inicial, motivo por el que se llega a una saturación de la superficie a presiones altas.

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8.3.

Se determinó la relación existente respecto a las propiedades del flujo gaseoso de nitrógeno y el nitrógeno líquido al cual fue sumergida la muestra teniendo que el proceso de adsorción de gas nitrógeno se da a la a temperatura de nitrógeno líquido en un modo de flujo dinámico, en el cual el nitrógeno gaseoso representa a la isoterma de adsorción y desorción a -195°C.

8.4.

Se concluye que el área superficial del catalizador regenerado es mayor a la del catalizador gastado (tabla 6.1-1) esto se debe a que en el proceso de regenerado se corrige esta propiedad del catalizador. 9. APLICACIONES  El área superficial es una propiedad la cual nos ayuda a proporcionar información relativa a la actividad del catalizador.  Esta propiedad también es de gran importancia ya que nos permite identificar posibles fallas en el proceso de regeneración del catalizador, pues cuando esta regeneración se la realiza bajo condiciones muy severas, es posible que se produzca sinterizacion, la cual se denota en la disminución del área superficial del catalizador. 10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

FIQ, C. F. (2010). Desorcion. Mexico: UNAM. Perez, N. (2015). Metodo BET. Valencia : Reverte. Reprobiotec. (12 de Julio de 2007). Seguridad. Obtenido de http://www.reprobiotec.com/nitrogeno_liquido_uso.html UCO. (29 de Mayo de 2012). Adsorción de gases por sólidos. Obtenido de http://www.uco.es/~iq2sagrl/TranspAdsGases.pdf Universidades, M. d. (15 de Enero de 2007). Determinación de superficie específica BET. Obtenido de https://www.icv.csic.es/node/30...