Estudio de la relación entre separación de fases y porosidad en...
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Departamento de Química-Física de Superficies y Procesos 1 Estudio de la relación entre separación de fases y porosidad en vidrios de tamaño de poro controlado en el sistema Na 2 O-B 2 O 3 -SiO 2 . Javier Sanguino, M. Alejandra Mazo, Juan Rubio y José Luis Oteo* *Química Física de Superficies y Procesos, Instituto de Cerámica y Vidrio, C/ Kelsen 5 e-mail: [email protected]
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Departamento de Química-Física de
Superficies y Procesos
1
Estudio de la relación entre separación
de fases y porosidad en vidrios de
tamaño de poro controlado en el
sistema Na2O-B2O3-SiO2
.
Javier Sanguino, M. Alejandra Mazo, Juan Rubio y José Luis Oteo**Química Física de Superficies y Procesos, Instituto de Cerámica y Vidrio, C/
Kelsen 5
e-mail: [email protected]
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Preparación de vidrios de porosidad controlada.
Vidrio
Porosidad
controladaSol-gel
sinterización
polvo vidrio
1.Fusión
2.Separación de fases
3.Lixiviación
Catálisis
membranas
bioquímica
composites
Aplicaciones en varios campos tecnológicos e industriales
Introducción
Departamento de Química-Física de
Superficies y Procesos
Indice:
• 1.- Separación de Fases.
• 1.1.-Aspectos teóricos de la separación de fases.
• 1.2.- Composiciones químicas de los vidrios.
• 1.3.- Aspecto visual.
• 1.4.- Estudio por MET en función de la composición.
• 2.- Lixiviación de los vidrios. POROSIDAD.
• 2.1. -Análisis Químico de los vidrios lixiviados
• 2.2.- Estudio por FE-SEM.
• 2.3.- Estudio de la micro y mesoporosidad por Adsorción de N2
• 2.4.- Estudio de la macroporosidad por Porosimetría de Hg
• 3. Conclusiones
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1.1.-Aspectos teóricos de la separación de fases
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DGm= DHm-TDSm
ZONA I DE
METAESTABILIDAD
ZONA II DE
DESCOMPOSICIÓN ESPINODAL
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1.2.- Composiciones químicas de los vidrios.
Vidrio 1 Vidrio 2 Vidrio 3 Vidrio 4 Vidrio 5 Vidrio 6
SiO2 (%) 75,4 64,5 61,3 58,3 51,4 50,7
B2O3 (%) 19,6 30,6 32,5 33,7 41,0 38,7
Na2O (%) 4,0 3,8 5,3 6,5 6,6 9,8
T crítica (ºC) 749 755 754 756 752 723
Los vidrios fueron tratados térmicamente a 680 ºC durante 20 horas produciendo separación de fase en todos ellos
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1.3.- Aspecto visual.
5 h
VIDRIO 1
SiO2 75,4
B2O3 19,6
Na2O 4,0
Tcrítica
(ºC)
749
12 h 20 h
650 ºC
680 ºC
715 ºC
Formación de opalescencia con
el aumento de la T y el tiempo de
tratamiento térmico.
El aumento de opacidad está
directamente relacionado con el
tamaño de las fase separadas
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1.4.- Estudio por MET en función de la composición.
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Vidrio 1 Vidrio 2 Vidrio 3 Vidrio 5Vidrio 4 Vidrio 6
Vidrio 1 Vidrio 2 Vidrion 3 Vidrio 4 Vidrio 5 Vidrio 6
SiO2 % 75,4 64,5 61,3 58,3 51,4 50,7
B2O3 % 19,6 30,6 32,5 33,7 41,0 38,7
Na2O % 4,0 3,8 5,3 6,5 6,6 9,8
Volumen Fase secundaria % 39 38 44 50 50 26
D canales (nm) 250 190 335 300 320 360
Se observan 5 estructuras
interconectadas y una en gotículas.
La fase secundaria aumenta al
disminuir la composición de SiO2.
Se observa la aparición de una
segunda fase dentro de la fase
secundaria en los vidrios 1, 2 y 3.
Vidrios tratados a 680 ºC durante 20 horas
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2.1. -Análisis Químico de los vidrios lixiviados
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Condiciones de las lixiviaciones realizadas.
- Vidrios tratados térmicamente a 680 ºC durante 20 h.
- Molidos entre 200<x<300 micras.
- Lixiviados en HCl al 10 % durante 20 horas a 95 ºC.
Factores que determinan la lixiviación:
- Composición inicial, tratamiento térmico, composición de la fase lixiviable.
- Condiciones de la lixiviación: concentración de ácido, temperatura, tiempo y relación
de volumen de disolución/superficie vidrio
AQ. Vidrios separados en fases (%) AQ. Vidrios lixiviados (%)
SiO2 B2O3 Na2O Na2O/ B2O3 SiO2 B2O3 Na2O Na2O/ B2O3
Vidrio 1 75,4 19,6 4,0 0,23 91,1 7,8 1,0 0,13
Vidrio 2 64,5 30,6 3,8 0,14 83,9 14,9 0,9 0,06
Vidrio 3 61,3 32,5 5,3 0,18 85,9 13,2 0,7 0,05
Vidrio 4 58,3 33,7 6,5 0,22 94,0 5,4 0,5 0,09
Vidrio 5 51,4 41,0 6,6 0,18 93,4 6,3 0,2 0,03
Vidrio 6 50,7 38,7 9,8 0,28 93,2 6,3 0,4 0,06
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2.2.- Estudio por FE-SEM.
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Vidrio 1
Vidrio 5
Vidrio 4
Vidrio 6
SPF:MET Lixiviación: FE-SEMSPF:MET Lixiviación: FE-SEM
500 nm500 nm
500 nm
-La estructura de
separación de fases
observada por TEM se ve
reflejada después en la
lixiviación con la
presencia de un
estructura interconectada
en los vidrios 1, 4 y 5.
-El vidrio 6 presenta una
estructura muy diferente
en la que se pueden
apreciar las gotículas y
también huecos.
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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0
40
80
120
160
200
240
Vidrio 1
Vidrio 2
Vidrio 3
Vidrio 4
Vidrio 5
Vidrio 6
Vo
lum
en
ad
so
rbid
o (
cm
3/g
ST
P)
Presion relativa P/Po
10 100
0.00
0.03
0.06 Vidrio 1
Vidrio 2
Vidrio 3
Vidrio 4
Vidrio 5
Vidrio 6
dV
ol/d
D c
m-3/g
r-n
m
Diametro promedio poro (nm)
2.3.- Estudio de la MICRO Y MESOPOROSIDAD por Adsorción de N2
Variación en la composición
Na2O/B2O3
Vidrio 1 0.23
Vidrio 2 0.14
Vidrio 3 0.18
Vidrio 4 0.22
Vidrio 5 0.18
Vidrio 6 0.28
-Los vidrio 2, 3, 4, 5 presentan una
estructura mesoporosa, con un
diáetro promedio de 10 a 16 nm.
-El vidrio 1 presenta micro y
mesoporosidad.
-El vidrio 6 presenta valores mucho
mayores de volumen y superficie
específica que los otros vidrios.
-Cuando la relación Na2O/B2O3
aumenta, se incrementa la
superficie, volumen y disminuye el
diámetro de poro.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
V (c
m3/g
)
Relación Na2O/B2O3
Volumen vs Na2O/B2O3
Vol total
Vol mesoporos
Vol microporos
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2.4.- Estudio de la MACROPOROSIDAD por Porosimetría de Hg
Variación de la composición:
-El vidrio 1 no es macroporoso
-Los vidrios 2, 3 y 4 presentan macroporos
entre 80 y 140 nm. Al aumentar la relación de
Na2O/B2O3 el diámetro de poro aumenta y
la distribución pasa de monomodal a
bimodal.
-El vidrio 5 y 6 presentan una distribución
mucho más ancha. También aumenta el
diámetro de macroporos al aumentar la
relación de Na2O/B2O3
Vidrio 6
0
0.08
0.16
0.24
0.32
0.4
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Vo
l (c
m3/g
)
Rel Na2O/B2O3
Rel Na2O/B2O3 vs Vol poros
Vol total
Vol macroporos
Vol mesoporos
De los vidrios con fases interconectadas, el
vidrio 5 (Na2O/B2O3 0.18) es el presenta
mayor volumen
-El vidrio 6 formado por gotículas es el
que presenta mayor volumen de todos.
10 100 1000
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Lo
g D
iffe
ren
tia
l In
tru
sio
n (
mL
/g)
(mL
/g)
mean diameter (nm)
Vidrio 1
Vidrio 2
Vidrio 3
Vidrio 4
Vidrio 5
Vidrio 6
macroporosmesoporos
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CONCLUSIONES
Se han obtenido vidrios separados en fases con diferente morfología que condiciona su
porosidad tras la lixiviación.
1. FASES INTERCONECTADAS: vidrios 1, 2, 3, 4 y 5.
-El vidrio 1 (75% de SiO2) presenta una estructura MICRO-mesoporosa.
-Los vidrios 2, 3, 4 (60% de SiO2) presentan estructura meso-macroporosa.
Distribución ESTRECHA DE MACROPOROS.
SE aumenta con Na2O/B2O3
disminuye tamaño mesoporos y aumenta el de macroporos con Na2O/B2O3
-El vidrio 5 (50% SiO2), presenta un estructura meso-MACROPOROSA.
Distribución ANCHA DE MACROPOROS.
2. FASE GOTICULAR: vidrio 6.
- El vidrio 6 (50% SiO2 y el Na2O/B2O3 más alto), es mucho más poroso que los vidrios
interconectados con una estructura MICRO-MESO-MACROPOROSA.
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Muchas gracias por su atención.
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