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PROYECTO FINAL DE CARRERA “ESTUDIO DE LA COAGULACIÓN EN SUSPENSIONES ACUOSAS DE SÍLICE” ALUMNA: BEATRIZ ALDUÁN ESPECIALIDAD: QUÍMICA DIRECTORES: MARIO MORA ALFONSO HIPPOLYTE AMAVEDA CONVOCATORIA: MAYO 10 Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 1 Mi más sincero agradecimiento a Mario Mora y Hippolyte Amaveda por la oportunidad que me han brindado de realizar, guiarme y ayudarme en la elaboración de este proyecto, y a mi familia y amigas por apoyarme hasta el final. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 2 Índice Capitulo 0: Objetivo del proyecto…………………………………….5. Capitulo 1: Introducción……………………………………………….7. 1.1. Sílice…………………………………………………………….....8. 1.1.1. Definición, abundancia y obtención………………..…………...8. 1.1.2. Estructura……………………………………………..…………..10. 1.1.3. Aplicaciones y usos…………………………………...…………11. 1.1.3.1. Gel de sílice o desecante……………………….………….11. 1.1.3.2. Material refractario…………………………………….…….13. 1.1.3.3. Cerámica………………………………………….………….13. 1.1.3.4. Vidrio……………………………………………….…………14. Capitulo 2: Caracterización Reológica y medida del Potencial Zeta............................................................................18. 2.1. Reología……………………………………………………………….19. 2.1.1. Definición…………………………………………………………19. 2.1.2. Aplicaciones de la reología……………………………………..19. 2.1.3. Viscosidad………………………………………………………..20. 2.1.3.1. Tipos de viscosidad………………………………………...21. 2.1.4. Fluidos…………………………………………………………….22. 2.1.4.1. Tipos de fluidos……………………………………………...23. 2.1.4.1.1. Newtoniano…………………………………………...23. 2.1.4.1.2. No newtoniano………………………………………..24. 2.1.4.1.3. Viscoelasticos………………………………………...27. 2.2. Potencial Electrocinética o Potencial Zeta………………………….28. 2.2.1. Definición…………………………………………………………28. 2.2.2. Potencial Electrocinética función del pH………………………30. 2.2.3. Aplicaciones del potencial Electrocinética…………………….32. 2.2.4. Procesamiento por Ruta Coloidal……………………………...34. 2.2.4.1. Técnica de procesado………………………………………36. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 3 2.2.4.1.1. Slip casting……………………………………………36. 2.2.4.1.2. Dip coating……………………………………………37. 2.2.4.1.3. Screen printing…………………………………….....37. 2.2.4.2. Tape casting o colage en cinta…………………………….38. 2.2.4.2.1. Componentes de una suspensión………………....39. 2.2.4.2.1.1. Polvo cerámico…………………………….......39. 2.2.4.2.1.2. Disolvente……………………………………....39. 2.2.4.2.1.3. Dispersante……………………………………..40. 2.2.4.2.1.4. Aglomerante…………………………………….47. 2.2.4.2.1.5. Plastificante……………………………………..48. Capitulo 3: Aparatos que han sido empleados en la preparación de suspensiones de sílice…………………………………..49. 3.1. Reómetro……………………………………………………………….50. 3.2. pH-metro………………………………………………………………..54. 3.3. Medidor potencial Zeta………………………………………………..55. 3.4. Ultrasonidos…………………………………………………………….56. 3.5. Microdureza…………………………………………………………….57. 3.6. Horno……………………………………………………………………59. 3.7. Balanza………………………………………………………………….59. Capitulo 4: Características de los componentes que han sido usados en las suspensiones de sílice………………..61. 4.1. Polvo cerámico………………………………………………………...62. 4.2. Silicasol…………………………………………………………………64. 4.3. Formamida……………………………………………………………..65. 4.4. NH 4 Cl…………………………………………………………………...66. 4.5. NH 3 ……………………………………………………………………...68. 4.6. HCl………………………………………………………………………69. Capitulo 5: Suspensiones de sílice en medio básico y medio ácido……………………………………………………..72. 5.1. Caracterización de la sílice en medio acuoso y del silicasol…….73. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 4 5.2. Suspensiones en Medio Básico……………………………………..75. 5.2.1. Suspensiones de sílice con amoniaco y cloruro de amonio..75. 5.2.1.1. Componentes usados en la suspensión…………………76. 5.2.1.2. Proceso para la preparación de la suspensión………….82. 5.2.1.3. Análisis y discusión de los resultados…………………….83. 5.2.2. Suspensiones de sílice con silicasol y cloruro de amonio…………………………………………………………….87. 5.2.2.1. Componentes usados en la suspensión………………….87. 5.2.2.2. Proceso para la preparación de la suspensión…………..90. 5.2.2.3. Análisis y discusión de los resultados…………………….92. 5.3. Suspensiones en Medio Ácido……………………………………….98. 5.3.1. Suspensiones de sílice con acido clorhídrico y formamida…..98. 5.3.1.1. Componentes usados en la suspensión………………….99. 5.3.1.2. Proceso para la preparación de la suspensión…………102. 5.3.1.3. Análisis y discusión de los resultados…………………...104. 5.3.2. Suspensiones de sílice con acido clorhídrico, cloruro de amonio y formamida. …………………………………………….106. 5.3.2.1. Componentes usados en la suspensión………………...107. 5.3.2.2. Proceso para la preparación de la suspensión………...110. 5.3.2.3. Análisis y discusión de los resultados…………………...111. Capitulo 6: Conclusión……………………………………………...113. Capitulo 7: Bibliografía……………………………………………...116. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 5 0. OBJETIVO DEL PROYECTO Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 6 0. Objetivo del Proyecto El objetivo de este proyecto es obtener una suspensión estable y homogénea a partir de polvos de Sílice (SiO 2 ) en un medio acuoso y posteriormente desestabilizarla. Se van analizar dos medios dispersantes siendo uno el agua y el otro el silicasol. Para la optimización del dispersante se ha seleccionado como figura de mérito la curva del potencial zeta con respecto al pH. Aquella suspensión que se encuentre en un pH correspondiente a un potencial fuera del intervalo de potencial zeta 30 a -31 mV se considerara estable. A partir de este momento, se procederá a desestabilizar la suspensión mediante la adicción de una serie de sustancias siendo estas amoniaco, cloruro de amonio y formamida llevándose a cabo en un medio básico o acido. Para complementar estos estudios se realizaran, además, análisis microestructural de muestras sólidas, esto se realiza con un microscopio electrónico de barrido (SEM). Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 7 1. INTRODUCCIÓN Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 8 1. Introducción 1.1. Sílice 1.1.1. Abundancia, propiedades, características y obtención… La sílice desde épocas muy remotas y hasta nuestros días ha sido uno de los minerales más usados en todo el mundo. Ha sido usado por los mayas, aztecas, egipcios fenicios, es más desde la prehistoria el hombre ha hecho uso de este mineral para darle infinidad de usos desde hacer monumentos dedicados a sus dioses cosa que era de relevante importancia en aquellos tiempos, así como en la confección de ciertas armas que le servían para defenderse de los animales y además les servían para pelear en los combates, también ya desde entonces la utilizaban para hacer diversos artículos de porcelana vidrio, y ahora cemento para la construcción. El óxido de silicio (IV) o dióxido de silicio (SiO 2 ) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es un material de naturaleza inorgánica (SiO 2 ) que resulta de la policondensación de los grupos silanol (−Si−OH) del ácido silícico (Si(OH) 4 ). Es el mineral más abundante en la naturaleza, cristaliza en tres formas distintas, en función de la organización de los tetraedros tenemos el cuarzo, tridimita y cristobalita. También puede estar en forma insoluble, soluble y coloidal. Ocho elementos componen cerca del 99 % de la textura de la corteza terrestre. Estos elementos se asocian para formar los minerales. Estos silicatados y la sílice predominan en la mayoría de las rocas comunes, excepto la caliza. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 15 Los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria. Figura 3: SiO 2 en estado vítreo. Existen varias clases de vidrios, todas ellas tiene la sílice como parte de materia prima. La diferencia esta en las sustancias que se añaden, las cuales les proporcionan propiedades diferentes a cada tipo. El vidrio de sílice es el que mayor cantidad de sílice contiene, ya que esta formado con un 96% de sílice. Es el más duro y el más difícil de trabajar esto es porque tiene una estabilidad tan grande y una temperatura de reblandecimiento tan elevada (1 500ºC) que soportan temperaturas hasta de 900ºC durante largo tiempo. A temperaturas más altas que éstas pueden producirse una desvitrificación y la superficie se ve turbia. Por todas estas propiedades se utilizan en la fabricación de material de laboratorio, que requiere una resistencia excepcional al calor, como sucede con los crisoles, los tubos de protección para termopares, los revestimientos de hornos, las lámparas germicidas y los filtros ultravioletas Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 16 La sílice es un material elástico casi perfecto. Cuando se deforma debido a una fuerza externa, rápidamente regresa a su forma original. No pierde su estructura química ni siquiera con el calor, razón por la cual este tipo de vidrio es el más cotizado. Luego tenemos el vidrio de sódico-calcico que está formado por sílice, sodio y calcio principalmente. El sodio le da cierta facilidad de fusión y el calcio la provee de estabilidad química. Este vidrio sin el calcio sería soluble hasta en agua y prácticamente no serviría para nada. Este tipo de vidrio es el que se funde con mayor facilidad y el más barato. Por eso la mayor parte del vidrio incoloro y transparente tiene esta composición. Las ventanas de los edificios, desde la más grande hasta la más pequeña están hechas con este vidrio. Lo único que cambia de una diminuta ventana a un ventanal de enormes dimensiones es el espesor. El siguiente es el vidrio de plomo que es igual que el vidrio de sódicocalcico cambiando el oxido de calcio por el oxido de plomo. Es transparente y muy denso, lo cual le hace tener mayor poder de refracción y de dispersión. Se puede trabajar mejor porque funde a temperaturas más bajas. Su coeficiente de dilatación calorífica es muy elevado, lo cual quiere decir que se expande mucho cuando se aumenta la temperatura y por lo tanto no tiene gran resistencia al choque térmico. Posee excelentes propiedades aislantes, que se aprovechan cuando se emplea en la construcción de los radares y en el radio. Absorbe considerablemente los rayos ultravioletas y los rayos X, y por eso se utiliza en forma de láminas para ventanas o escudos protectores. Por ultimo tenemos el vidrio de borosilicato el cual esta compuesto de sílice y oxido de boro. Es prácticamente inerte, más difícil de fundir y de trabajar. Tiene alta resistencia a cambios bruscos de temperatura, pero no tan alta como la del vidrio de sílice puro, pues aun cuando presenta el mismo tipo Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 17 de vibración, la longitud de los enlaces varía más cuando está presente el boro y el material tiene un coeficiente de dilatación mayor. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 18 2.CARACTERIZACIÓN REOLOGICA Y MEDIDA DEL POTENCIAL ZETA Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 19 2. Caracterización Reológica y Medida del Potencial Zeta 2.1. Reología 2.1.1. Definición La reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación de la materia bajo la influencia de una fuerza mecánica. Se refiere, especialmente, al comportamiento del material que no puede describirse por los modelos lineales simples de la hidrodinámica y elasticidad. Algunas de estas desviaciones son debidas a la presencia de partículas coloidales o a la influencia de superficies. Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo las de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión, detergentes o aceites lubricantes, por ejemplo. La reometría es la determinación experimental de las propiedades reológicas. 2.1.2. Aplicaciones de la Reología • Control de calidad de los alimentos: este control se realiza en la propia línea de producción. Es determinante para la aceptación de productos como patatas fritas, cereales, quesos, aperitivos, yogures, dulces, chocolates, cremas, etc. • Estudio de la textura y consistencia de productos alimenticios: dichas propiedades son muy importantes a la hora de que un producto sea del agrado del consumidor. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 20 • Producción de pinturas: una pintura debe ser esparcida de forma fácil pero sin que escurra. • Producción de productos cosméticos y de higiene corporal: la duración de una laca sobre el pelo, la distribución de la pasta de dientes por toda la boca, la forma de cómo se esparce una crema, etc. Todas estas características se estudian con la reología para obtener la mayor eficacia del producto. • Producción de medicamentos: se estudia su estabilidad química, su tiempo de caducidad y su facilidad de extrusión, entre otras. • Caracterización de elastómeros y de polímeros tipo PVC. • Estabilidad de emulsiones y suspensiones. • Caracterización de gasolinas y otros tipos de hidrocarburos. • Caracterización de metales (en situaciones de elevada temperatura), y de cristales líquidos. • Control de sustancias que sean transportadas a lo largo de un recipiente cilíndrico (para evitar la reopexia). • Estudio del magma en vulcanología: cuanto más fluido sea el magma más tendencia va a tener el volcán a que provoque una erupción. 2.1.3. Viscosidad La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido. Es el débil rozamiento entre capas adyacentes que se produce en los líquidos y fluidos. Es lo que les confiere sus propiedades diferentes a las de los gases o sólidos y se mide en Pa·s. Dicho concepto se Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 21 introdujo anteriormente en la Ley de Newton, que relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación (gradiente de velocidad). µ τ ·D = (Ecuación 1) donde: τ : Esfuerzo cortante [mPa]. µ : Viscosidad [mPa·s] D: Velocidad de deformación [s-1] Las unidades de viscosidad más utilizadas son los milipascales por segundo [mPa·s]. Además, el sistema cegesimal aún se sigue usando, siendo la unidad de medida el centiPoise [cp]. 2.1.3.1. Tipos de viscosidad Existen tres tipos de viscosidad: la viscosidad dinámica “µ”, la viscosidad cinemática y la viscosidad aparente. La viscosidad dinámica o absoluta, se ha visto anteriormente en la ecuación 1. Si se representa la curva de fluidez (esfuerzo cortante frente a velocidad de deformación) se define también como la pendiente en cada punto de dicha curva. En cambio, la viscosidad aparente “η” se define como el cociente entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. Este término es el que se utiliza al hablar de viscosidad para fluidos no newtonianos. Por último existe otro término de viscosidad “ν“, denominado viscosidad cinemática, que relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del fluido Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 22 utilizado. Las unidades más utilizadas de esta viscosidad son los centistokes [cst]. 1 stoke = 100 centistokes = cm2/s Su ecuación es la siguiente: ρ µ ν = (Ecuación 2) Siendo: ν : Viscosidad cinemática. µ: Viscosidad dinámica. ρ : Densidad del fluido. 2.1.4. Fluidos Un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de esfuerzos cortantes. Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Frecuentemente, éstas determinan las propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo (textura). Las propiedades reológicas se definen a partir de la relación existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se deforma en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas. Dicho sistema de fuerzas se representa matemáticamente mediante el esfuerzo cortante “ τ xy ”, mientras que Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 23 la respuesta dinámica del fluido se cuantifica mediante la velocidad de deformación “D”. 2.1.4.1. Tipos de fluidos Existen 3 tipos de fluidos:  Newtonianos (proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación).  No Newtonianos (no hay proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación)  Viscoelásticos (se comportan como líquidos y sólidos, presentando propiedades de ambos). La relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad viene dada por la ecuación: (Ley de viscosidad de Newton) dt du xy ⋅= µτ (Ecuación 3) siendo: τ xy = esfuerzo cortante (mPa) µ = viscosidad dinámica del fluido (mPa·s) du/dy = velocidad de deformación del fluido (s-1) = D 2.1.4.1.1. Fluido Newtoniano Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación (ecuación anterior). Si por ejemplo se triplica el esfuerzo cortante, Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 24 la velocidad de deformación se va a triplicar también. Esto es debido a que el término µ (viscosidad) es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado. Hay que tener en cuenta también que la viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre. Figura 4: Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido newtoniano. Como se puede observar en la curva de fluidez, el valor de la viscosidad µ es la tangente del ángulo que forman el esfuerzo de corte y la velocidad de deformación, la cual es constante para cualquier valor aplicado. Además se observa en la curva de viscosidad que la viscosidad es constante para cualquier velocidad de deformación aplicada. La ecuación que modela un fluido newtoniano es la vista anteriormente. Ejemplos de este tipo de fluidos son el agua, el aceite, etc. 2.1.4.1.2. Fluido NO Newtoniano Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 31 En la figura 8 se aprecia como la curva pasa través del potencial zeta en cero, en el eje de las ¨X¨, y a este punto se le llama punto isoeléctrico. Esto significa que las partículas no experimentan repulsión, por lo que la aglomeración puede ser un efecto a esperarse. Figura 10: Punto Isoelectrico. De hecho puede existir cierta atracción cerca del valor isoelectrico, y como regla si queremos asegurarnos que exista repulsión entre las partículas, debemos asegurarnos de que el valor de potencial zeta en mayor a +30mV o menor a –30mV en el caso de la grafica que muestra la figura 8. Basándonos en la gráfica de la figura 11 (parte inferior), se ve la región de inestabilidad en cuanto al pH, correspondiente en este caso entre pH 4 hasta pH 7.5 y también las regiones de estabilidad, que se encuentra a pH menor a 4 y mayor a 7.5. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 32 Figura 11: Zonas estables e inestables en función del pH 2.2.3. Aplicaciones del Potencial Zeta El potencial zeta se aplica a una amplia lista de materiales en los que se encuentran las cerámicas, pinturas, productos farmacéuticos y a diversos procesos como la fabricación del papel. Arcillas y cerámicas La doble capa eléctrica de partículas de arcillas tiene un efecto significante sobre sus características de sedimentación, floculación y viscosidad. Además de las cerámicas, las arcillas son parte esencial de los papeles, perforación de pozos, pegamentos, ungüentos, gomas y plásticos sintéticos. La mayoría de estos sistemas son dispersiones de arcillas en agua y otros líquidos. La química del coloide de barro es importante en casi todas las aplicaciones donde se usan arcillas y líquidos, como en los problemas de consolidación de la tierra, nutrición de las plantas, preparación y modelado de cerámicas y en la perforación de pozos de petroleros. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 33 Minerales Se separan muchos elementos de los minerales tales como cobre, plomo, zinc y tungsteno del mineral al mezclarlos con un colector y al suspenderlos en agua. Luego se les somete a flotación. Se inyecta aire a la mezcla y el colector hace que las partículas se adhieran a las burbujas y así puedan recubrir la superficie de la burbuja. La eficiencia de este proceso depende del grado de adsorción entre el colector y el mineral, el cual puede ser controlado por el potencial zeta de las partículas. Otra interesante aplicación de los estudios de potencial zeta ha sido la minimización de la viscosidad de los barros de carbón. Productos Farmacéuticos Las propiedades físicas de los productos farmacéuticos afectan los resultados esperados del producto. Una suspensión satisfactoria no se endurece y se mantiene aún cuando se guarda en el gabinete. Con coloides finos esto puede lograrse agregando un agente de suspensión para incrementar el potencial zeta y producir una máxima repulsión entre las partículas adyacentes. Un sistema de alta dispersión sedimentará muy lentamente pero las partículas que lleguen a sedimentarse se aglomerarán, propiciando el endurecimiento. Algunas veces la forma mas efectiva de acercarse a una suspensión satisfactoria es formando una débil suspensión floculada. Las partículas suspendidas forman una “madeja” aglomerada unida por fuerzas de Van der Waals. Las partículas floculadas sedimentan rápidamente formando unas ligeras masas adheridas con grandes sedimentos en lugar de formarse una pasta. Una floculación débil requiere un potencial zeta de casi cero. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 34 Pinturas Los pigmentos de las pinturas deben estar muy bien dispersos, para obtener una pintura de buena calidad. Si los pigmentos se aglomeran, entonces la pintura parecerá tener grandes partículas de pigmentos y la calidad del color disminuye. El brillo y la textura también son afectados por el grado de dispersión de las partículas en la pintura. Las medidas del potencial zeta pueden ser utilizados en este caso para controlar la composición de la pintura y la cantidad de aditivos necesarios para una dispersión óptima. Fabricación de Papel La retención de fibras y finos puede ser aumentado mediante el control del potencial zeta. El potencial zeta reduce la cantidad de sedimentos producidos por la planta de tratamiento de desagüe y también reduce la carga en sistemas de reciclaje de agua tratada. La medición del potencial zeta asiste igualmente al fabricante de papel a comprender el efecto de varios ingredientes del papel, así como también las características físicas de las partículas del papel. 2.2.4. Método de la ruta coloidal La ruta coloidal es una técnica de conformado de materiales cerámicos que depende principalmente de las propiedades del material de partida y de la forma y tamaño de las piezas que se desea obtener. Además de la ruta coloidal existen también otras técnicas como la técnica de pulvimetalurgia, llamada así por su origen común con la metalurgia de polvos metálicos. En concreto la ruta coloidal es un proceso físico-químico de fabricación que se inicia a partir de una disolución que contiene partículas dispersas llamadas coloides con un tamaño que puede variar desde los nanómetros Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 35 hasta las decenas de micras. Estas partículas se encuentran dispersas en un medio líquido en el que son normalmente insolubles. El sistema se consolida en forma de gel de mayor o menor estabilidad con la eliminación de la mayor parte del disolvente y además se puede conformar según la geometría final que se desea obtener. El procesado por ruta coloidal permite operaciones que producen materiales con algunas características que no se pueden conseguir mediante los otros métodos convencionales. La inhomogeneidad de los materiales preparados por estas técnicas es lo suficientemente pequeña como para conseguir que la densidad de las cerámicas sea alta tras sinterizados cortos. Existen varias técnicas de procesamiento según el procedimiento empleado. Todas ellas se basan en conseguir una mezcla líquida homogénea y estable en el tiempo a partir de polvos del material cerámico, de la cual se pueda volver a obtener el material en forma sólida y con la geometría deseada, normalmente en forma de lámina, recubrimiento o formas que no se pueden obtener fácilmente mediante compactación. Para obtener una suspensión coloidal, los polvos cerámicos deben ser insolubles en el medio líquido, ya sea acuoso u orgánico. A veces es necesario añadir una serie de aditivos para que la estabilicen. Estos aditivos se clasifican en diferentes grupos según la función que tengan. Los dispersantes son unos aditivos que por mecanismos electrostáticos, estéricos o por combinación de ellos se oponen a las fuerzas atractivas de tipo Van der Waals entre las partículas de polvo cerámico, manteniéndolas separadas entre sí. De esta forma se evita la formación de aglomerados disminuyendo así la viscosidad de la suspensión. Con ellos se logra obtener una suspensión homogénea concentrada con la menor viscosidad posible. También hay otros tipos de aditivos como los aglomerantes y plastificantes que dan consistencia y flexibilidad a la pieza una vez que se ha secado el disolvente. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 36 2.2.4.1. Técnicas de procesado por ruta coloidal Para elegir un método de conformado (proceso para conseguir la forma final del producto), se debe tener en cuenta la geometría del material, la cantidad a producir, la reproducibilidad, la homogeneidad, la aplicación y la calidad de las propiedades del producto final que se quiere conseguir. En el caso de las cerámicas superconductoras se procesan de varias formas: láminas, cintas, cables, materiales de grandes volúmenes en forma cilíndrica, etc. Existen diferentes métodos para la obtención de piezas en verde, pero los más habituales son cuatro, el colado en molde poroso (slip casting), el colaje en cinta (tape casting), la inmersión (dip coating) y el screen printing. Todos éstos tienen en común el empleo de una suspensión compuesta de aditivos orgánicos (dispersantes, disolventes, aglomerantes y plastificantes) y un polvo superconductor y además tras la obtención de la pieza, la lámina o recubrimiento por cualquiera de los métodos, se debe realizar un tratamiento térmico que elimine los aditivos que se han añadido durante el procesado y realizar la sinterización a alta temperatura para lograr la densificación del material. La lámina o recubrimiento sólido obtenido deben tener un espesor y una densidad uniformes a lo largo de toda su longitud y anchura. 2.2.4.1.1. Slip casting El método de colado en molde consiste en verter la suspensión en un molde de escayola de forma que el disolvente se filtra a través de las paredes, quedando una pieza de material sólido compacto en su interior. La suspensión, por lo general sin aglomerante o con una pequeña adición de éste, se vierte inmediatamente en el molde de escayola y se cierra para evitar la evaporación del disolvente. El yeso absorberá el disolvente Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 37 gracias a su porosidad. La duración de este proceso dependerá de la facilidad que tenga el disolvente utilizado para absorberse en el yeso y el espesor de material que quiera obtenerse. 2.2.4.1.2. Dip coating El moldeado por inmersión consiste en sumergir un sustrato en un recipiente que contiene la suspensión del material con el que se quiere realizar el recubrimiento, siendo este de unas 10-50 micras. El recubrimiento consta de tres etapas: 1) El sustrato que se quiere recubrir se sumerge en la suspensión. El tiempo que permanece en reposo permite que el material se impregne o adsorba las partículas de la suspensión. 2) Se retira el sustrato a una velocidad controlada para que quede impregnado en la superficie. 3) Secado del recubrimiento, que puede forzarse mediante aire caliente o un tratamiento térmico en horno. El proceso se repite varias veces hasta conseguirle espesor deseado. 2.2.4.1.3. Screeng printing Se denomina método de pintado de la muestra o impresión con máscara. Se emplea una pantalla de poliéster en forma de malla. Se recubre la máscara y se deposita la tinta del material superconductor. La tinta pasa a través de las áreas abiertas, recubriendo las zonas deseadas. Este recubrimiento suele ser de entre 3 y 100 micras. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 38 2.2.4.2. Tape casting o colage en cinta Este método, también llamado técnica Doctor Blade, se emplea habitualmente para el conformado de láminas cerámicas superconductoras gruesas (entre decenas de micras y varios milímetros) de dimensiones mucho mayores que en el caso de los otros procedimientos, autosoportadas a partir de suspensiones de una forma directa El proceso consiste básicamente en la preparación de una suspensión de polvos inorgánicos en medio líquido, acuoso o no acuoso. Dicho medio está compuesto por disolventes, dispersantes, plastificantes y aglomerantes. Cuando se evapora el disolvente, las partículas coalescen para dar lugar a una pieza verde con densidad elevada. Se pueden realizar las láminas tan anchas como sea la cuchilla del carro y tan largas como se quiera. La lámina se obtiene depositando la suspensión sobre una superficie lisa y enrasándola con una cuchilla que se desplaza a una altura fija. Se pueden distinguir dos variantes: carro fijo con cinta móvil y carro móvil con cinta fija. La superficie debe de estar limpia y pulida y estar fabricada con un material que sea compatible con los componentes de la suspensión, que ni los adsorba ni se disuelva en ellos, ni que el aglomerante se adhiera a ella, ya que en el caso de quedar excesivamente adherido, la separación posterior será dificultosa, y con riesgo de rotura para la lámina. Los materiales más utilizados como superficie sobre la que se fabrica la lámina son el acero inoxidable, teflón, mylar, celofán, poliéster, polipropileno o acetatos. A continuación la lámina se seca en una estufa o en un evaporador por corriente de aire a un ritmo controlado y lento. El secado se realiza a una temperatura cercana pero inferior a la de ebullición del disolvente. El resultado es una lámina densa y resistente pero flexible, que se puede cortar con las dimensiones deseadas. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 39 Así pues, este procesado consta de 5 etapas:  Molienda y mezclado.  Deaireación, ya que las burbujas de aire pueden causar defectos.  Colado.  Secado, conformado y extracción de orgánicos.  Sinterizado . 2.2.4.2.1. Componentes de una suspensión Las suspensiones son mezclas heterogéneas formadas por un sólido en polvo o pequeñas partículas no solubles (fase dispersa) que se dispersan en un medio líquido (dispersante). 2.2.4.2.1.1. Polvo cerámico Es el ingrediente más importante de la mezcla, y a partir del cual se obtendrá la pieza final en el caso de que se procese. Los parámetros fundamentales que se necesitan conocer para obtener una buena suspensión son la distribución de tamaño de partículas, su forma, la superficie específica y la densidad. 2.2.4.2.1.2. Disolvente El disolvente es la base de la suspensión, el que le confiere la fluidez y aglutina a todos los componentes que intervienen en el proceso. La elección del disolvente está supeditada a las propiedades físicas y químicas del material que va a contener. También influye el dispersante y aglomerante utilizados, debido a la interacción que tendrán con el disolvente. Un requisito importante del disolvente es que posea un punto de ebullición bajo para que su eliminación pueda realizarse mediante evaporación, sin riesgo de afectar al resto de Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 40 aditivos, evitando que se evaporen, quemen o reaccionen de alguna manera. Otro requerimiento es que también debe disolver fácilmente al dispersante y al resto de ingredientes. El agua es el disolvente más utilizado por su facilidad de manejo, seguridad y bajo coste, a pesar de que sus propiedades no son las más adecuadas para la mayoría de suspensiones, por su alto punto de ebullición, alta tensión superficial y su incompatibilidad con muchas sustancias orgánicas o inorgánicas con las que reacciona, descompone u oxida. Los disolventes orgánicos basados en alcoholes o cetonas resultan en ocasiones mucho más apropiados por tener puntos de ebullición menores y disolver fácilmente muchos compuestos orgánicos. El etanol y el isopropanol son los disolventes más empleados por la buena combinación de sus propiedades. También resulta útil a veces usar mezclas aceotrópicas de disolventes. Una mezcla aceotrópica es una mezcla de dos o más compuestos químicos en una proporción tal que no puede variarse mediante evaporación. Esto se debe a que el vapor resultante posee la misma composición química que la mezcla original en fase líquida. Las mezclas aceotrópicas de varios líquidos se comportan como uno solo, combinando las propiedades de todos ellos. 2.2.4.2.1.3. Dispersante El dispersante o surfactante es el componente que permite que el polvo permanezca disperso en el disolvente sin que aparezcan aglomerados que puedan precipitar y disminuyendo la viscosidad. Actúa separando físicamente las partículas mediante diversos mecanismos. Los dispersantes son aditivos activos que modifican activamente la superficie de las partículas, dándole las características deseadas, tales como una carga superficial o una superficie química específica. Actúan como separadores de partículas, dejando las partículas separadas unas de otras. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 47 2.2.4.2.1.4. Aglomerante Una vez obtenida la suspensión estable, hay que procesarla en forma de láminas. Para ello es necesario añadir otros dos componentes, que son el aglomerante y plastificante. La misión del aglomerante es proporcionar consistencia a la suspensión con el fin de que el polvo no se disgregue una vez que se haya retirado el disolvente. Su objetivo es contrario al del dispersante, mientras que aquel separa las partículas para evitar su aglomeración, el aglomerante las une para evitar que el conjunto se disgregue. El aglomerante solo se debe añadir una vez que el dispersante esté completamente distribuido por la superficie de las partículas y haya realizado su función. Las cantidades de cada componente ya han debido ser determinadas en las proporciones necesarias para obtener una suspensión concentrada, homogénea y estable, con sus propiedades reológicas optimizadas (comportamiento fluidificante y menor viscosidad), que de lugar a un material consistente y libre de defectos a ser posible. El aglomerante tiene que ser compatible con el polvo y el disolvente, es decir, que se disuelva en el disolvente y que cree enlaces resistentes y estables entre las partículas pero que permita que la pieza tenga flexibilidad una vez se haya secado. Conviene que pueda cumplir sus funciones con una cantidad mínima. Además debe ser estable a la temperatura usada durante la evaporación del disolvente, pero no debe requerir temperaturas excesivamente altas para su eliminación y no debe dejar residuos tras ella, ya que contaminarían la pieza final. Los aglomerantes más usados son polímeros de cadena larga, que permiten una cohesión interna así como la adhesión a otras superficies externas pero con cierto grado de flexibilidad. Además, estos polímeros presentan una buena adhesión sobre materiales cerámicos. Se pueden agrupar en dos tipos principales: los polivinilos y los poliacrilatos. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 48 2.2.4.2.1.5. Plastificante El último elemento en formar parte de la suspensión es el plastificante. Se añade normalmente a la vez que el aglomerante, o inmediatamente antes. Su función es aumentar la flexibilidad del conjunto sólido cohesionado por el aglomerante, facilitando su manipulación y almacenaje. Existen dos grandes grupos de plastificantes, los plastificantes de tipo I y de tipo II. Esta clasificación se basa en el mecanismo con el que actúan estos aditivos. El tipo I actúa disminuyendo la temperatura de transición vítrea del aglomerante por debajo de la temperatura ambiente, de forma que aumenta su comportamiento plástico. El tipo II únicamente facilita el desplazamiento de las cadenas en la matriz como si fueran un lubricante. Su interposición impide la unión entre cadenas por reticulación o mediante enlaces de Van der Waals. La flexibilidad óptima se obtiene con la selección del sistema plastificante/aglomerante apropiado y con las proporciones adecuadas. El aumento de la proporción de plastificante mejora la flexibilidad de la lámina pero, por otro lado, disminuye la fuerza intramolecular del aglomerante provocando una posible adhesión de la lámina sobre la cinta o sustrato donde se deposita. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 49 3. APARATOS QUE HAN SIDO EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN Y PREPARACIÓN DE SUSPENSIONES DE SÍLICE Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 50 3. Aparatos que han sido empleados en la caracterización y preparación de suspensiones de sílice Hay que distinguir los aparatos empleados para la caracterización de las suspensiones de sílice como reometro, pHmetro, potencial Zeta y microdurimetro y los aparatos empleados para la preparación como ultrasonido, horno térmico, balanza, etc. 3.1. Reómetro En este caso, se aplica un esfuerzo y se determina la deformación resultante y, si llega a alcanzarse el flujo estacionario, la velocidad de cizalla. Estas dos concepciones de medida se conocen como reómetros de velocidad controlada y de esfuerzo controlado o, abreviadamente reómetros CR (controlled rate) y CS (controlled stress). Existen diversos equipos comerciales que pueden medir tanto en modo CR como en modo CS (Haake, Bohlin, TA, etc). Los reómetros que operan en modo CS poseen mayor sensibilidad para diferenciar el comportamiento reológico a muy bajas velocidades de cizalla, por el contrario el CR trabaja con altas velocidades de cizalla. Siempre es mejor utilizar un reómetro CS para evaluar procesos controlados por stress y utilizar un reómetro CR para evaluar procesos controlados por la velocidad de cizalla. Características de los reómetros: • Caracterización reológica completa • Medición de la elasticidad Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 51 • Medición de límite de fluidez • Habitualmente con cojinete de aire: sin rozamiento interno El reómetro del que se dispone en el laboratorio es el llamado RheoScope que se muestra a continuación. Figura 15: Reómetro RheoScope 3.1.1. Sistemas de medición. Los reómetros usan diferentes tipos de sensores dependiendo de los rangos de velocidades de deformación y de la geometría del flujo. Existe una amplia gama de geometrías de sensores de medida para adecuar el instrumento a las propiedades de la muestra. La fiabilidad de los resultados depende de diversos criterios que deben ser tomados en consideración: 1) la relación de radios, 2) efecto de las caras terminales, relacionado con las superficies superior e inferior del rotor. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 52 - Sensores cilíndricos • Líquidos de baja viscosidad (gran superficie del rotor) • Líquidos de partículas muy pequeñas. • Sistemas con cargas (ranura amplia) • El flujo es estacionario, isotermo y laminar Figura 16: Sensor cilíndrico - Placa-Placa • Mediciones dinámicas (oscilación) • Materiales no homogéneos (partículas, fibras) Figura 17: Sensor placa – placa El flujo entre placas paralelas no es homogéneo. Este tipo consta de un disco estacionario y otro que gira con una velocidad angular y se debe asumir que no hay un deslizamiento en las paredes ni fuerzas inerciales. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 53 - Cono – Placa • Substancias de viscosidad media • Fácil de limpiar • Sin partículas • Altas velocidades de cizalla Figura 18: Sensor cono – placa Los sistemas cono–placa se usan para muestras de mayor viscosidad. Una de las mayores limitaciones de la geometría cono – placa es que la ranura de separación entre el rotor y el vaso de medición aumenta continuamente desde la punta hasta el radio exterior. - Doble cono Los fabricantes de reómetros, tratando de atender las necesidades de todos sus usuarios, han diseñado una gran variedad de herramientas para ser usados en intereses muy dispares y muestras de muy distinta naturaleza. Un sensor interesante, aunque menos conocido que los anteriores, es el constituido por una cavidad cilíndrica estacionaria y un rotor en forma de doble cono. La pieza inferior, es un cilindro de pequeña altura, que se puede asimilar al empleado en el sensor de cilindros concéntricos, ya que hay paredes laterales que impiden la migración de la muestra a alta cizalla. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 54 3.2. pH-metro Los pH-metro son aparatos eléctricos que nos permiten medir de forma mucho más exacta la concentración de protones de una disolución. Se trata de un instrumento que nos mide la diferencia de potencial eléctrico en una pila electroquímica. El electrodo de medida de pH usado es el llamado electrodo de vidrio y su potencial frente al electrodo de referencia depende de la concentración de protones de la disolución en la que se encuentre sumergido. El pH es una medida utilizada por la ciencia para evaluar la acidez o la alcalinidad de una solución. Por lo general, la medida se realiza en estado líquido, pero también se puede utilizar para gases. El pH posee una escala propia que indica con exactitud un valor. La tabla que se muestra a continuación, que va de pH = 0 a pH= 14. El pH 7 es el que simboliza la neutralidad. Si el pH es < 7 la solución es considerada ácida; por el contrario, si el pH es > 7, la solución se considera alcalina. Mientras más ácida la solución, más cerca del 0 estará; y mientras más básica o alcalina el resultado se aproximará a 14. Se define el pH de acuerdo a la siguiente expresión teórica: pH = - log [H+] Los electrodos para que den una medida correcta tiene que ser calibrados periódicamente, así se asegurar la precisión. Por eso se utilizan buffers de calibraje (disoluciones reguladoras de pH conocido). Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 55 También necesitan llevar acabo una serie de pasos para su buen mantenimiento, como: - Entre muestra y muestra debe de ser enjuagados con agua destilada y posteriormente se coloca sobre un trozo de papel para quitar restos de agua pero no se debe de secar con trapos, ya que se podría cargar electromagnéticamente el electrodo. - El electrodo debe estar sumergido en una disolución 4M de KCl. - El electrodo debe estar siempre húmedo. Figura 19: pH-metro 3.3. Potencial Z El equipo usado para medir el potencial zeta consta de un ordenador con un programa concreto para medir potenciales instalado y el aparato que aparece en la foto inferior y donde se introducen las muestras, el aparato esta compuesto por unos electrodos y unos cristales que son los que llevaran a Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 56 cabo la aplicación de la diferencia de potencial y correspondiente medida del potencial Zeta. Se usan unas celdas, las cuales se llenan con la muestra. Hay que tener cuidado para no producir ninguna burbuja y en el caso de que se formen hay que eliminarlas antes de introducirlas entre los electrodos. Hay varios tipos de celda dependiendo del tipo de muestra a la que se le realiza la medida se usara una celda u otra. Estas celdas tiene k estar dos de sus caras limpias de liquido, huellas y manchas, para evita una medida erróneo. Figura 20: Medidor de Potencial Zeta 3.4. Ultrasonidos Un ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del espectro audible del oído humano. Los ultrasonidos, son utilizados tanto en aplicaciones industriales (medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros), como en medicina (ver por ejemplo ecografía, fisioterapia, ultrasonoterapia). Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 63 Al polvo de sílice se le realizo varios análisis, algunos resultados ya los hemos reflejado antes. Otro de los análisis fue un análisis calorimétrico hasta 1400ºC a 10º/min. El resultado que obtuvimos se representa en la figura 25 que a continuación aparece. Corresponden a los análisis calorimétricos del material compuesto y del polvo de sílice entregado, respectivamente (en verde se representa la masa en % y en azul el flujo de calor en W/g, ambas magnitudes en función de la temperatura). Se observan dos picos endotérmico (adsorción de calor) entorno a 1000 (muy pequeño) y 1300 ºC (grande), respectivamente. Dado que la sílice funde a 1700 ºC, y que ambos picos se observan igualmente, tanto en el compuesto como en el polvo aislado, estos deben estar asociados con las transformaciones de fases habituales de la sílice, específicamente cambio de estructura cristalina de cuarzo a tridimita (conlleva ruptura de enlaces y consumo de energía). Entre aproximadamente 500-800 ºC se observa en ambas muestras un aumento de masa que seguramente guardará relación también con transformaciones de fase que no consumen energía (movimiento de átomos). Figura 25: Resultado grafico del análisis calorimétrico del material Por ultimo realizamos un análisis microestructural (SEM) del polvo de sílice tal y como es usado en este proyecto. Los resultados se muestran en las gráficos siguientes. Se observa que existe una distribución de tamaños de partículas que va desde la micra hasta las decenas de micra. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 64 Figura 26: Imagen obtenida con el microscopio electrónico de barrido del polvo cerámico (SEM). 4.2. Silicasol Sílicasol, también conocido por hidrosol de sílice, es una solución coloidal de alta hidratación molecular de partículas de sílice dispersas en agua. Es inodoro, insípido y no tóxico. Su fórmula química molecular es mSiO 2 nH 2 O. Gracias a la medida de sus partículas que oscila entre las 10 y 20 milimicras, el área específica de superficie es muy amplia. Al ser las partículas de Sílicasol transparente no afectan al color de los objetos. Además ofrece una excelente dispersión y penetración cuando se mezcla con otros materiales, esto es debido a su baja viscosidad. Cuando la humedad contenida en el hidrosol se evapora, las partículas coloidales quedan adheridas firmemente a la superficie y concavidades por lo que produce un excelente adhesivo. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 65 Aplicaciones: • Es un agente de vínculo para materiales refractarios por su resistencia a altas temperaturas (1.500 a 1.600 Cº). • En la elaboración de materiales de abrigo en paredes exteriores. Mejora las propiedades de protección en condiciones adversas, resistencia al polvo, resistencia al fuego,... • Como agente de apresto en la industria textil, en combinación con agentes óleos sirve para tratar la lana y el pelo de conejo, mejora las propiedades del hilado rompiendo las roturas. • En la industria del papel puede ser utilizado como anti-adhesivo en el papel celofán, pre-tratamiento del papel fotográfico, antideslizante para sacos de cemento,... • En fundición se utiliza para moldes de precisión, mejorando el pulimento y las condiciones de funcionamiento con un coste reducido. • Como componente de tratamiento en la producción de placas de silicio. También como componente dispersador o deslizante (ceras para el suelo). 4.3. Formamida La formamida es un compuesto orgánico que se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente. Es una sustancia liquida, viscosa, transparente e incolora con un olor que le caracteriza. Su formula química es (CH 3 ) 2 -N-CHO. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 66 Figura 27: Formamida Es una sustancia miscible en agua y etanol, con un pH de 4-5. Sus puntos de fusión y ebullición respectivamente son 2ºC y 210ºC. La densidad es 1,13 g/l. La formamida es una sustancia que no podemos tenerla cerca de fuentes de calor ni próximo a temperaturas elevadas, además tenemos que tener cuidado en presencia de agentes oxidantes y materiales que desprendan agua por ello es necesario almacenarlo bien cerrado en ambientes secos, cuyo local este bien ventilado y protegido de la luz. Al calentarla intensamente a una temperatura igual o superior a 200ºC se descompone produciendo amoníaco, agua, monóxido de carbono y cianuro de hidrógeno. Es utilizado como disolvente para reacciones químicas, además es una sustancia polar que facilita las reacciones que siguen mecanismos polares. También tiene más aplicaciones como en la fabricación de fibras de plástico y otras más. 4.4. Cloruro de Amonio El cloruro de amonio o sal amoníaco es una sal de amonio cuya fórmula química es NH 4 Cl. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 67 Según sus propiedades físicas se suele encontrar en estado sólido, cuya coloración varía entre incoloro y blanco. Es inodoro e higroscópico en diversas formas. Su punto de sublimación es de 350°C. Su den sidad relativa (agua = 1) es 1,5. La presión de vapor que genera es de 0.13 kPa a 160°C. Su masa molecular es de: 53.49 g/mol. En el laboratorio usamos un cloruro de amonio sólido cuyo peso molecular es 53,5 g/mol. (Véase en la figura 28). Figura 28: NH 4 Cl usado en el laboratorio. Esta sustancia se descompone al calentarla intensamente o al arder, produciendo humos tóxicos e irritantes de óxidos de nitrógeno, amoníaco y cloruro de hidrógeno. La disolución en agua es un ácido débil. Reacciona violentamente con nitrato amónico y clorato potásico, originando peligro de incendio y explosión. También reacciona con concentrados de ácidos para formar cloruro de hidrógeno y concentrados de bases fuertes para formar amoníaco. Además reacciona con sales de plata para formar compuestos sensibles al choque. Es una sustancia que ataca al cobre. Es una sustancia soluble en agua, formando una disolución acida, también es soluble en amoníaco líquido, metanol, etanol y glicerol. Insoluble en éter y acetato de etilo . Además es toxica que puede ser inhalada y ingerida. Se recomienda almacenarla en lugares secos lejos de productos químicas como Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 68 nitrato de amonio, clorato de potasio, ácidos, álcalis y sales de plata porque reacciona violentamente con ellos. Una de sus aplicaciones es como catalizador en la síntesis de Strecker. Otras son en celdas electrolíticas, capados de zinc, en procesos de galvanizado, etc. 4.5. Amoniaco El amoníaco es un compuesto químico que, a temperatura ambiente, es un gas incoloro, mas ligero que el aíra y tiene un olor muy penetrante y nauseabundo que irrita los ojos y las vías respiratorias. El utilizado en el laboratorio tiene una concentración del 30% p/p, con una densidad de 0,895 kg/l y cuyo peso molecular es de 17g/mol. Este compuesto se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. Debido a un par de electrones desapareados, es una molécula con una estructura piramidal trigonal. En disolución acuosa se puede comportar como una base y formarse el ion amonio (NH 4+ ). El amoniaco es el camino para hacer activo al nitrógeno que permite obtener muchos compuestos. Además arde al aire con formación de N 2 y H 2 O a una temperatura de 900ºC. Más del 80% del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 69 El amoníaco es fácilmente biodegradable. Las plantas lo absorben con gran facilidad eliminándolo del medio, por otra parte si se encuentra en ríos u otros lugares en concentraciones altas causa graves daños. 4.6. Ácido Clorhídrico El ácido clorhídrico es una disolución acuosa del gas cloruro de hidrógeno (HCl). Es muy corrosivo y ácido. Se emplea comúnmente como reactivo químico y se trata de un ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa. A temperatura ambiente, el cloruro de hidrógeno es un gas ligeramente amarillo, corrosivo, no inflamable, más pesado que el aire, de olor fuertemente irritante. Cuando se expone al aire, el cloruro de hidrógeno forma vapores corrosivos densos de color blanco. El cloruro de hidrógeno puede ser liberado por volcanes. El cloruro de hidrógeno tiene numerosos usos. Se usa para limpiar, tratar y galvanizar metales, curtir cueros, y en la refinación y manufactura de una amplia variedad de productos. El cloruro de hidrógeno puede formarse durante la quema de muchos plásticos. Cuando entra en contacto con el agua, forma ácido clorhídrico. Tanto el cloruro de hidrógeno como el ácido clorhídrico son corrosivos. Químicamente es un ácido monoprótico, lo que significa que puede disociarse sólo una vez para ceder un ion H + (un protón). En soluciones acuosas, este protón se une a una molécula de agua para dar un ion hidrónio, (H 3 O + ): HCl + H 2 O → H 3 O + + Cl − El otro ion formado es Cl − , el ion cloruro. El ácido clorhídrico puede entonces ser usado para preparar sales llamadas cloruros, como el cloruro de Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 70 sodio. El ácido clorhídrico es un ácido fuerte, ya que se disocia casi completamente en agua. Las propiedades físicas del ácido clorhídrico, tales como puntos de fusión y ebullición, densidad, y pH dependen de la concentración o molaridad de HCl en la solución ácida. (Véase en tabla 1) El acido clorhídrico usado en el laboratorio tiene una concentración del 37% y un peso molecular de 36,5 g/mol. Concentr. (m/m) kgHCl/ kg Densidad Kg/l Molaridad M pH Viscosidad mPa·s Punto de fusión Punto de ebullición 36% 1,179 11,64 -1,1 1,99 -30ºC 61ºC 38% 1,189 12,39 -1,1 2,10 -26ºC 48ºC Tabla 1: Características del HCl al 36 y 38% de concentración. Es una sustancia irritante y corrosiva para cualquier tejido con el que tenga contacto. La exposición breve a bajos niveles produce irritación de la garganta. La exposición a niveles más altos puede producir respiración jadeante, estrechamiento de los bronquiolos, coloración azul de la piel, acumulación de líquido en los pulmones e incluso la muerte. La exposición a niveles aún más altos puede producir hinchazón y espasmos de la garganta y asfixia. El ácido clorhídrico se utiliza sobre todo como ácido barato fuerte y volátil. El uso más conocido es el de desincrustante para eliminar residuos de caliza (carbonato cálcico: CaCO 3 ). Otra importante aplicación del ácido clorhídrico de alta calidad es en la regeneración de resinas de intercambio iónico. El intercambio catiónico suele utilizarse para remover cationes como Na + y Ca 2+ de soluciones acuosas, produciendo agua desmineralizada. En la industria alimentaría se utiliza en la producción de la gelatina . En metalurgia a veces se utiliza para disolver la Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 71 capa de óxido que recubre un metal, previo a procesos como galvanizado, extrusión, u otras técnicas. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 72 5. SUSPENSIONES DE SÍLICE EN MEDIO ÁCIDO Y BÁSICO Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 79 preparo la disolución con una concentración distinta de la sal. Los cálculos que se necesitaron realizar son los siguientes: • Cálculo del volumen a coger de la disolución de concentración 4M para preparar la de 1M. Volumen 1 · Molaridad 1 = Volumen 2 · Molaridad 2 (8) 100ml·1M = Vol 2 · 4M Vol 2 = 25ml NH 4 Cl de concentración 4M Se cogieron 25 ml de NH 4 Cl de concentración 4M y se añadió H 2 O hasta llegar a un volumen de 100ml. Estos cálculos se repiten para las distintas concentraciones, dando unas cantidades a tomar que se muestran en el cuadro siguiente: Concentración Volumen de [NH 4 Cl]=4M Volumen H 2 O Volumen total 1M 25ml 75ml 100ml 2M 50ml 50ml 100ml 3M 75ml 25ml 100ml 4M 100ml 0 100ml Tabla 2: Volúmenes a tomar de NH 4 Cl de la disolución 4M para la preparación del resto de las disoluciones Tratamiento en la preparación de las disoluciones de NH 4 Cl Para llevar acabo la preparación de las disoluciones con NH 4 Cl, lo primero que se hizo fue pesar en una balanza la cantidad de cloruro amonio calculado. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 80 Para ello se coloco un vaso de precipitados con una capacidad volumétrica superior a 300ml, en la balanza, después se presiono el botón de tara, el cual, coloca el marcador de la balanza a cero. Así no se tiene en cuenta el peso del vaso en la pesada. Posteriormente íbamos echando poco a poco el sólido de cloruro amonio con la ayuda de una espátula hasta llegar alcanzar el peso calculado. Después se le añadió agua destilada hasta llegar a enrasarlo, obteniendo un volumen de 300ml. Como últimos pasos, fue introducirle un imán en su interior y colocar el vaso en un agitador magnético durante un tiempo para conseguir disolver todo el sólido y obtener una completa homogeneidad. A partir de esta disolución de concentración 4M, se prepararon el resto de las muestras. Los ensayos se realizaron con disoluciones de distintas concentraciones pero todas ellas tenían volúmenes iguales, siendo estos de 100 mililitros. Con este dato y los que ya tenemos se calcularon las cantidades a tomar para preparar las distintas muestras. Esta preparación consistió en coger de la disolución 4M un volumen calculado con la pipeta, echarlo en un vaso de precipitados de capacidad 100 ml y enrasarlo con agua destilada. Cuando ya se tiene esto echo, se le colocara un imán en su interior y se dejaba en agitación unos minutos para conseguir una homogeneidad en todas sus partes. Estos pasos se repetirán con el resto de las muestras a preparar, siendo la cantidad a coger con la pipeta de la disolución inicial cada vez menor, cuanto menor sea la concentración que se quiere conseguir. Los volúmenes a tomar para el resto de disoluciones se indican en la tabla 2 (capitulo 5.2.1.1). Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 81 Polvo de SiO 2 La sílice es el componente principal que se uso para preparar las suspensiones. La cantidad que se echo a cada muestra se tuvo que calcular previamente aplicando unas ecuaciones que nos relacionan la masa de sólido a añadir con el volumen total de la suspensión que se prepara. La sílice que se va a utilizar se llama D3005 comercialmente. De esta sustancia sabemos que la densidad es 2,33 g/cm 3 , dato que se introduce en la formula para obtener una ecuación que nos relaciona la masa del sólido, en este caso la masa de la sílice, con el volumen total a utilizar. La formula a usar es: (9) (10) (11) (12) La ecuación número 12 (parte superior) es la que al final se usa y en la que sustituiremos los datos de volumen líquido por el volumen total de la muestra analizar, la densidad del sólido por la densidad de la sílice y el porcentaje en volumen por el valor del porcentaje que elijamos para estas muestras. SOLIDOLIQUIDOSOLIDO SOLIDO LIQUIDOSOLIDO SOLIDO Volumenm m Volumen VolumenVolumen Volumen Volumen ρ · % % + = + = ( ) ( ) Volumen VolumenVolumen m SOLIDOLIQUIDO SOLIDO %1 %· − = ρ       − =Volumen Volumen Volumenm SOLIDOLIQUIDOSOLIDO %1 % ·· ρ Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 82 El porcentaje de volumen que se escogió fue del 35 %, con esto la ecuación 12 quedaría de la siguiente manera con los datos sustituidos: (13) (14) El volumen de líquido correspondiente al volumen total de la muestra es de 50ml para el caso del amoniaco como dispersante, de manera que se obtiene un valor de 62,5 g de polvo de sílice añadir a la suspensión. Esta cantidad de sólido fue la que se añadió a todas las muestras por igual ya que el volumen total de todas las muestras era el mismo. La forma en la que se añadió la sílice se explicar más adelante. 5.2.1.2. Proceso para la preparación de la suspensión. La suspensión en medio básico esta compuesta por amoniaco, cloruro de amonio y polvo de sílice. El volumen que se preparo de muestra fue un volumen total de 50ml, de los cuales 25ml corresponden amoniaco y los otros 25ml a cloruro de amonio. Estos últimos 25 ml de la sal fueron de distinta concentración en cada muestra. Así pues obtendremos cuatro muestras analizar, en la que se encontraban cada una a una concentración distinta de cloruro de amonio. La preparación consistió en coger la cantidad que se fijo de cada sustancia con la pipeta y verterla en los vasos de precipitados. Cuando se LIQUIDOSOLIDO Volumen cm g m· 35,01 35,0 ·33,2 3       − = LIQUIDOSOLIDO Volumenm )·25,1(= Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 83 encontraban las dos sustancias juntas se colocaba un imán y se aplica agitación para obtener una homogeneidad en el vaso. Después de unos minutos con agitación se llevo acabo la primera medida de pH, sin retirarle la agitando. Posteriormente se procedió a la adicción del polvo de sílice calculado. Este paso se lleva a cabo cuidadosamente, añadiendo cantidades pequeñas con la cuchara o espátula a la muestra así favorecíamos la disolución del polvo en el liquido. De vez en cuando, entre adicciones de polvo de sílice se le aplicaba ultrasonidos, durante 3 min. Con esto lo que se perseguía era romper algún aglomerado que se pueda producir y así favorecer la solubilidad de la sílice. En el momento en el que se añada todo el polvo de sílice y este, esté disuelto, se tomo el tiempo y se dejo agitando durante dos horas. Al cumplirse las dos horas, se metieron las muestras en la mufla, la cual se encontraba aproximadamente a 60ºC. Esta había sido encendida un tiempo antes para darle tiempo a que alcanzara la temperatura. Las muestras se dejaron en su interior y cada 15min, tiempo que más tarde se ira ampliando a 30 min y por último cada hora, se irán sacando para medirles el pH y después se volverán a introducir en la mufla. 5.2.1.3. Análisis y discusión de los resultados. La teoría nos dice que el pH de las muestras inicialmente tiene que estar alrededor de 9,2, por ello, lo primero que realizamos es una medida del pH de cada muestra para ver por donde se sitúa. Los datos de pH inicial que se han medido de las cuatro muestran se recoge en el cuadro siguiente: Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 84 [NH 3 ] [NH 4 Cl] pH 1M 1M 9,37 1M 2M 9,04 1M 3M 8,87 1M 4M 8,75 Tabla 3: pH inicial de las cuatro suspensiones preparadas. Estos datos reflejados en la tabla 3, muestran que el pH disminuye conforme aumenta la concentración de NH 4 Cl en la muestra, lo cual está de acuerdo con la teoría dado que: [ ] [ ]         += + B BH pKpOH b log (15) pH = 14 – pOH (16) Como se deduce de la expresión 15 (numerador del cociente dentro del log), a medida que aumenta la concentración de la sal, el pOH incrementa su valor, disminuyendo, por tanto, el pH de la solución. A pesar del esfuerzo realizado por obtener suspensiones de sílice con cada una de estas disoluciones, sólo se pudo obtener con éxito aquella cuyo pH se situaba en 9,37. Con el resto de las disoluciones era imposible estabilizar la cantidad de sílice fijada. Esto es debido a que al aumentar la concentración de iones de la sal en la disolución, el espesor de la doble capa (capitulo 2.2.4) disminuye. Esto se explica porque al incrementar la concentración de NH 4 Cl aumenta la concentración de NH 4+ , que reacciona con los OH - consumiéndolos. De esta manera disminuye la concentración de los OH – y el pH decrece. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 85 Con el objetivo de variar el pH de las muestras, éstas fueron sometidas a un calentamiento a la temperatura de 60 ºC durante un período de tiempo. Debido a la activación térmica de la reacción del ión amonio con el agua se produce amoníaco en forma de gas e iones hidroxilos (H 3 O + ), lo cual conduce al desplazamiento del pH desde la región básica hacia la neutra o, incluso, ácida. Este comportamiento del pH se controló midiéndolo en cada muestra cada 15 minutos que más tarde este tiempo se alargaría a 30 minutos y finalmente las medidas se hicieron cada hora. También se observo que se formaba una especie de capa superior como nata que con algo de agitación se dispersaba por las paredes del vaso de precipitados donde se encontraba. Al final solo se consiguió una única muestra, siendo esta la de concentración 1M de NH 4 Cl. Para esta muestra en la que toda la cantidad de polvo de sílice que se añadió se consiguió suspender. Por lo tanto, las medidas de pH sólo se pudieron tomar sobre esa única muestra. Estos datos se recogen en la tabla siguiente y son medidas tomadas cada cierto tiempo, siendo este de 15 minutos inicialmente y después se aumento a 30 minutos lo que la muestra pasaba dentro de la mufla desde una medida a otra de pH. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 86 Tabla 4: Datos de pH frente al tiempo de la suspensión de sílice, NH 3 y NH 4 Cl 1M a 60ºC Con los datos de la tabla 4, se realizo la representación grafica del pH frente al tiempo, en la que se aprecia como el pH disminuye conforme aumenta el tiempo que la muestra pasa dentro de la mufla. pH vs.Tiempo 7,6 7,8 8 8,2 8,4 8,6 8,8 9 9,2 9,4 9,6 0 15 30 45 60 90 120 150 180 Tiempo (min) pH Grafica 2: pH frente al tiempo de la suspensión de sílice, NH 3 y NH 4 Cl 1M. En la grafica 2, se aprecia bien lo que sucede con la muestra durante el paso del tiempo, en este caso solo se ha estado midiendo el pH. Se deduce Tiempo (min) pH 0 9,35 15 9 30 8,85 45 8,73 60 8,67 90 8,58 120 8,43 150 8,29 180 8,24 Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 87 que cantidad de amoniaco evaporado no ha sido suficiente para variar mucho el pH. 5.2.2. Suspensiones de sílice con silicasol y cloruro de amonio. Este tipo de suspensiones fuero hechas con silicasol como medio dispersante. En ellas se quería ver el comportamiento del polvo de sílice en el silicasol. 5.2.2.1. Componentes usados en la suspensión. Silicasol. El volumen de silicasol que se utilizo para cada suspensión fue de 40 ml, los cuales se media con la ayuda de una probeta de capacidad de 100 ml y echando posteriormente el líquido en los vasos de precipitados donde se preparo la suspensión. NH 4 Cl Como ya sabemos de la suspensión anterior esta sal la tenemos en estado sólido pero a diferencia de la otra suspensión, en este caso no es necesario disolverla previamente, ya que se disolverá en la suspensión. Por ello se calculo directamente la cantidad a añadir y esta se disolverá en el silicasol. La cantidad que se añadió a cada solución dependió de las concentraciones de sal que se fijaron inicialmente y que se prepararon. Las concentraciones que se fijaron del cloruro de amonio, se llevaron acabo pero Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 88 sin éxito, ya que se gelificaron muy pronto y no dio tiempo hacerles nada, incluso ni a echar el polvo de sílice. Esto nos sirvió para poder llegar a la conclusión de que había que añadir la sílice antes que la sal y que la concentración de la sal debía ser más pequeña para que le cueste más tiempo llegar a gelificarse. Entonces se decidió hacer cuatro muestras cuya concentración de sal en cada una de ellas fuera de 0,0625M; 0,125M; 0,1875M y 0,25M. Las cuatro muestras tenían un volumen de 40 ml, sabiendo que el peso molecular del cloruro de amonio es de 53,5 g/mol se calculo la cantidad de sal que se añadió a cada muestra de la siguiente manera: nº moles soluto= 0,0625M·0,04 litro de don= 0,0025mol de NH 4 Cl 0,0025mol NH 4 Cl · 53,5 g/mol = 0,13 g de NH 4 Cl En la muestra de concentración de sal del 0,0625M la cantidad de cloruro de amonio que se añadió fue de 0,13 g. Esto se añadió a la solución formada por silicasol y polvo de sílice. Para el resto de las muestras, se lleva acabo los mismo pasos pero con el dato correspondiente a la concentración de la sal de la muestra a preparar, siendo los resultados la cantidad de la sal que se recoge en la tabla 5 que se ve seguidamente. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 95 La representación grafica de los datos de la tabla 7 (capitulo 5.2.2.3.) se muestra seguidamente: Grafica 4: Representación del pH de las muestras frente al tiempo a 55ºC. En la grafica 4 se aprecia como va disminuyendo el pH conforme pasa el tiempo. Posteriormente a estas muestras se les midió el potencial zeta. Para llevar a cabo esta medida fue necesario diluir las muestras hasta obtener unas concentraciones de 0,1 g/l de sílice. La forma de la que se hizo fue muy sencilla, consistía en coger 3ml de cada muestra y añadirle 20ml de silicasol. Los resultados de los potenciales fueron: Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 96 Tabla 8: Potencial Z de las muestras En la tabla 8, se aprecia como va disminuyendo el potencial conforme aumenta la concentración del cloruro de amonio esto es debido a que disminuya el espesor de la doble capa y la interacción entre partículas es menor. Por último se calentaron a altas temperaturas la muestra 1 y 2 durante un tiempo corto y posteriormente se retiraron de la fuente de calor y se dejaron enfriar. Se observo que en el fondo había un sólido muy duro, más duro que en las otras muestras, en este caso no éramos capaces de romperlo dándole con la espátula. Esto es debido a que se evaporo todo el disolvente. De las dos muestras gelificadas a las que no les pudimos hacer análisis, se recogió unas pequeñas piezas sólidas que junto con otro trozo de la muestra patrón. Todas las piezas sólidas fueron sometidas a un calentamiento a 1000ºC y posteriormente se intento medir la dureza vicker pero esto no se consiguió porque la muestra es demasiado porosa y muy frágil. Esto se ve en la figura 29. Muestra Potencial Zeta (mV) Patrón -68,4 ± 7,25 Muestra 1: [NH 4 Cl]=0,0625M -48,4 ± 3,6 Muestra 2: [NH 4 Cl]=0,125M -39,10 Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 97 Figura 29: Imagen echa con el microscopio electrónico de la muestra que no contiene sal. También puede ser el material así porque en la etapa de sinterizado no se hizo a una temperatura algo inferior al punto de fusión de la sílice siendo de unos 1700ºC, ya que la temperatura fue muy inferior, 1000ºC. Además la etapa de extrusión se realizo con una jeringa y no se aplico la presión suficiente para compactar toda la muestra sólida. Fueron sometidas a una carga de 1kg pero esto no fue suficiente para poder hacer una huella para poder medir la dureza. Solo se consiguió hacer una marca deforme como se aprecia en la figura 30 (circulo rojo). Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 98 Figura 30: Imagen echa con el microscopio electrónico de la muestra cuya concentración de sal es de 0,25M 5.3. Suspensiones en Medio Ácido. Posteriormente se realizaron los ensayos en medio ácido, en este caso los reactivos que fueron usados y que hubo que prepararlos en las concertaciones necesarias son acido clorhídrico y cloruro amonio. La diferencia con el medio básico, es el uso de una sustancia llamada formamida, es un disolvente polar que se usa para favorecer reacciones químicas. 5.3.1. Suspensiones de sílice con acido clorhídrico, cloruro de amonio y formamida. Estas suspensiones se realizaron en medio ácido debido al uso del ácido clorhídrico. Con esto se vio si es factible este medio para la desestabilización de suspensiones de polvo de sílice. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 99 5.3.1.1. Componentes usados en la suspensión. Formamida. Esta sustancia no es necesario prepararla ya que comercializa preparada. En el laboratorio se dispone de una botella de esta sustancia por lo que se usara dicha botella, además la cantidad a utilizar es muy pequeña. Se prepararon varias suspensiones, todas ellas del mismo volumen total y con las mismas sustancias, la diferencia fue la cantidad de formamida que se le añadió a cada una. El porcentaje de formamida que se echo a cada muestra fue de 2%, 2,5%, 3% y 4% del volumen total que forma la suspensión. En este caso el volumen total fue de 70 ml, por lo que las cantidades de formamida que se usaron se recogen en la tabla siguiente: % Formamida Volumen de formamida (ml) 2% 1,4 2,50% 1,75 3% 2,1 4% 2,8 Tabla 9: Volúmenes de formamida añadir en las suspensiones Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 100 HCl El acido clorhídrico es unas de las sustancias que se usan y fue necesario preparar. La concentración que se preparo fue de 1M, partiendo de que se dispone en el laboratorio de una botella de acido clorhídrico a una concentración al 37% p/p. Para la preparación de esta disolución se tomo como referencia volumétrica, una cantidad de 250 mililitros. En este caso no fue necesario preparar un volumen grande porque las cantidades a usar no fueron elevadas. Se recogieron los datos de peso molecular y densidad de la disolución de partido, es decir, de la disolución de concentración 37%. Estos datos están indicados en la etiquita de la botella y son: ρ = 1,19 g/ ml PM= 36,5 g/mol Gracias a estos datos se llevan a cabo los cálculos necesarios para obtener las cantidades que fueron tomadas para la preparación de la disolución. Para realizar estos cálculos se usaron las formulas 1, 2 y 3 escritas en el apartado de preparación de amoniaco en el punto 5.1.1.1.1. Así pues para obtener la disolución de amoniaco de concentración 1M se cogieron 7,7 ml de HCl al 37% p/p y se le añade H 2 O destilada hasta llegar al volumen de 250 mililitro. Tratamiento en la preparación de las disoluciones de HCl Para obtener la disolución de acido clorhídrico se siguieron los mismos pasos que en el caso de la preparación del amoniaco en el caso del medio básico, lo único que cambia es el material que se uso, ya que en este caso los Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 101 volúmenes que se prepararon fueron distintos por lo que la capacidad y graduación del material era menor. El primer paso es disponer del material que a continuación se ira nombrando, que este limpio y seco. A continuación se echa una cierta cantidad de acido clorhídrico al 37% en un vaso de precipitados, del cual se cojera con la pipeta la cantidad calculada anteriormente. Este paso se realiza para evitar contaminar el resto de la sustancia que se queda en la botella, ya que se uso poca cantidad y el resto puede guardarse para ser usada en posteriores ocasiones. La sustancia calculada se echara en un vaso de precipitados, se uso un vaso de capacidad 300 mililitros al cual se le añadió agua destilada hasta enrasarlo. Por ultimo se coloco un imán en el vaso y se puso en un agitador magnético durante unos minutos para conseguir una buena mezcla de las sustancias. NH 4 Cl Como ya sabemos de la preparación de otras suspensiones, la sal la tenemos en estado sólido. En este caso a diferencia de los anteriores, el sólido hay que disolverlo previamente, es decir, es necesaria la preparación de una disolución de la sal. Se preparo una disolución de cloruro de amonio de concentración 1M y el volumen que queremos preparar es de 60ml, el cual es suficiente para llevar acabo las suspensiones. Sabiendo que el peso molecular del cloruro de amonio es 53,5 g/mol, la concentración de la disolución a preparar y el volumen de disolución, aplicamos Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 102 la ecuación 5, dando un resultado de 0,06 moles de NH 4 Cl, al cual se le multiplica por el peso molecular dándonos el número de gramos de sal, siendo de 3,21 g. Esta cantidad se echa en un vaso de precipitados, al cual se le añade los 60 ml de agua destilada, un imán y se coloca en un agitador hasta que el sólido se haya disuelto completamente. Polvo de SiO 2 Esta sustancia la tenemos en polvo y es la misma que se usa para el caso del medio básico en el apartado 5.1, por lo tanto las ecuaciones para calcular la cantidad son las mismas. En este caso se calculo para un 35% en peso, usando un volumen total de 70ml, y todo esto sustituido en la ecuación 12 (capitulo 5.2.1.1.), la cantidad de polvo de sílice que se añadió fue de 87,5 g. El polvo se fue añadiendo en pequeñas cantidades a la disolución con la ayuda de una cuchara o espátula de laboratorio. La disolución en la que se añade el polvo de sílice se encontraba en agitación para favorecer la dispersión del polvo y formar una suspensión homogénea. 5.3.1.2. Proceso para la preparación de la suspensión. Esta muestra esta compuesta por ácido clorhídrico, formamida y polvo de sílice. Primero se fijo el volumen que formo la muestra a tratar. En este caso se preparo cuatro muestras o suspensiones con un volumen de muestra de 70 mililitros correspondientes a 58 mililitros de HCl y 12 mililitros de NH 4 Cl. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 103 Estas muestras se diferenciaban en la cantidad de formamida que se les añadió. Los porcentajes que se les echo fueron de 2%, 2,5%, 3%, y 4% en volumen. Los pasos a seguir en la preparación es aproximadamente la misma que para el medio básico. Consistiendo en coger la cantidad que se ha fijado de cada sustancia con pipetas distinta, una para cada sustancia para evitar contaminación al verterla en los vasos de precipitados y evitar así resultados erróneos. Cuando estén las dos sustancias juntas se metió un imán y se le aplico agitación para obtener una mezcla en todas las partes de la muestra. Después de que lleve unos minutos en agitación se lleva acabo la primera medida de pH, sin retirarle la agitando. Posteriormente se procede a la adicción del polvo de sílice, añadiendo la cantidad calculada antes. Este paso se lleva a cabo cuidadosamente, adicionando cantidades pequeñas con la cuchara o espátula a la muestra que esta en agitación. De vez en cuando, entre adicciones de polvo de sílice se le aplica ultrasonidos, esto romper los aglomerados que se pueda haber producido y así mejoramos la solubilidad. En el momento en el que se ha añadido todo el polvo de sílice y este esté disuelto, se toma el tiempo y se deja agitando durante dos horas. Al cabo de las dos horas, se añade la cantidad de formamida correspondiente a cada muestra manteniendo la agitación. Finalmente se introducen en la mufla, que se encuentra aproximadamente a 60ºC, donde se dejaran durante un tiempo. De la mufla se fueron sacando una a una las muestras cada hora, se les midió el pH y después fueron introducidas en la mufla de nuevo hasta la Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 104 siguiente medición, así durante 5 mediciones. Al cabo de esas cinco medidas, las muestras ya no se sacaron de la mufla hasta haber pasado 15 horas, momento en el fueron extraídas y para medirles el pH a todas ellas. 5.3.1.3. Análisis y discusión de los resultados. Estas suspensiones preparadas contienen la misma cantidad todas ellas de HCl y NH 4 Cl pero distinta cantidad de formamida, cada una contiene, en % en volumen del líquido, un 2%; 2,5%; 3% y 4% respectivamente En este caso la muestra tiene un volumen total de 70 mililitros por lo que las cantidades que se echaron de formamida se recogen en la tabla 9. A todas estas muestras antes de introducirlas en la mufla, se les realizo una medida de pH y de conductividad siendo esta el primer dato a tiempo 0. Posteriormente fueron introducidas en la mufla, que se encontraba a unos 65ºC aproximadamente. Las muestras fueron sacándose de la mufla cada hora para medirles el pH y la conductividad. Todos los datos que se recogieron están plasmados en la tabla siguiente. 2% 2,50% 3% 4% Tiempo (h) pH Conduc. pH Conduc. pH Conduc. pH Conduc. 0 0,68 334 0,7 333 0,73 332 0,74 330 1 1,13 317 1,18 304 1,57 283 1,77 272 2 1,81 275 1,84 274 1,93 263 2,14 256 3 1,98 263 1,99 265 2,15 253 2,25 249 4 1,95 261 2,01 258 2,18 249 2,26 244 5 2,02 255 2,14 254 2,29 244 2,38 239 15,5 2,63 232 2,62 223 2,8 212 2,99 202 Tabla 10: Datos de pH y conductividad de las cuatro muestras a distintos tiempos . Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 111 Al cabo de las dos horas, se añade la cantidad de formamida correspondiente a la muestra manteniendo la agitación. Posteriormente se realiza la primera medida de pH y finalmente se introduce en la mufla, que se encuentra aproximadamente a 50ºC, donde se dejaran durante un tiempo. De la mufla se fue sacando la muestra cada 15 min que mas tarde se amplio a 30 min, se le midió el pH y después se volvió a meter en la mufla de nuevo hasta la siguiente medición, así durante una hora y quince minutos. Al cabo de ese tiempo, la muestra se coloco en una placa calefactora donde se calentó a una temperatura superior a 50ºC durante un periodo corto de tiempo y posteriormente se enfrió con la finalidad de ver como variaba el pH. 5.3.2.3. Análisis y discusión de los resultados. Aquí se ha preparado una sola suspensión compuesta por HCl, NH 4 Cl y formamida. A diferencia de las suspensiones del apartado anterior, apartado 5.2.1. en este caso la cantidad de cada sustancia es distinta por lo tanto el volumen final es distinto. En este caso la muestra tiene un volumen total de 120 mililitros de los cuales 100 ml son de HCl y 20 de NH 4 Cl, además se le añade un 1% de formamida con respecto al volumen total. La muestra fue introducida en la mufla, que se encontraba a unos 50ºC aproximadamente, durante dos horas inicialmente y a partir de ese tiempo se le empezó a realizar medidas de pH cada 15min y posteriormente cada 30 min. Todos los datos que se recogieron están plasmados en la tabla siguiente. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 112 Tabla 11: Datos de pH vs Tiempo de la muestra con 1% de formamida a 50ºC A continuación se ve todos estos datos de la tabla 11 en una gráfica, Tiempo vs. pH. En ella podemos ver claramente una tendencia descendente. pH vs. Tiempo 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 15 45 75 Tiempo (min) pH Grafica 8: Representación del pH frente al tiempo de la muestra con 1% de formamida a 50ºC . En esta grafica 8, apreciamos que conforme aumenta el tiempo el pH va disminuyendo. Esto no debería pasar ya que el pH debería ir aumentando. Después de la hora y cuarto, la muestra se saco de la mufla y se coloco en una placa calefactora para calentarla a mayor temperatura de 50ºC y posteriormente enfriarla para ver como variaba el pH. Tiempo (min) pH 0 0,61 15 0,53 45 0,20 75 0,13 Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 113 6. CONCLUSIÓN Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 114 6. Conclusión A través de este proyecto se han conseguido preparar suspensiones estables de polvo de sílice y posteriormente desestabilizarlas con la adicción de sustancias, siendo estas amoniaco, formamida y silicasol. Dependiendo de cual se añada se llevara la estabilización en un medio básico o en un medio acido. En resumen las conclusiones obtenidas son los siguientes: • La suspensión de polvo de sílice en agua tiene un mayor rango de pH en la que es estable, en comparación con las de silicasol. La sílice en agua como medio dispersante es estable a partir de pH= 6, en cambio el silicasol solo es estable a pH=9. Medio Básico: • Al aumentar la concentración de la sal de cloruro de amonio que se añade en la suspensión formada por amoniaco y sílice, se incrementa la concentración de iones, disminuyendo el espesor de la doble capa y haciendo imposible estabilizar la cantidad de sílice fijada. Esto impide la formación de suspensiones con concentraciones altas de sal. • La variación del pH durante tres horas calentando a unos 60ºC la suspensión formada por sílice, amoniaco y cloruro de amonio, ambos de concentración 1M, es insuficiente. El pH disminuye lentamente para conseguir desestabilizar la suspensión. • Conforme se disminuye la concentración de la sal de cloruro de amonio que se añade en la suspensión formada por sílice, silicasol y cloruro de amonio, mayor es el tiempo de gelificación de la muestra llegando a tener que calentar la suspensión. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 115 Medio Ácido: • Cuanto mayor cantidad de formamida se añade a la suspensión formada por sílice, cloruro de amonio, acido clorhídrico y formamida, mayor es el pH. Además cuanto mayor es el porcentaje de formamida adicionado mayor es el incremento de pH con el tiempo. Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 116 7. BIBLIOGRAFÍA Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 117 7. Bibliografía Libros de consulta  Reología de suspensiones cerámicas Autor: Rodrigo Moreno Botella Consejo superior de investigaciones científicas Artículos  Ceramic forming using enzyme catalyzed reactions; L.J. Gauckler, Th Graule, F Baader.  Structural homogenization in a fibrous insulator containing an inorganic binder; E.V. Vazhenin, V.A. Gorodetskii, T.V. Dobrova, G. A. Palii, E. M. Grishpum and M.Z. Nagisnskii.  Hydrolysis-assisted solidification of alumina slurry dispered in silica sol without de-airing process; Deyu Kong, Hui Yang, Su Wei, Zheng Jianjun, Jiabang Wang. Paginas web  http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/pfc_reologia/anexo1.doc.  http://www.sciencedirect.com/  www.wikipedia.org  http://www.quiminet.com  http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/137/ht ml/sec_5.html  http://www.lenntech.es  http://www.geldesilice.com/inicio/9.asp  http://www.textoscientificos.com Estudio de la Coagulación en Suspensiones Acuosas de Sílice 118