El objetivo del trabajo es normalizar las determinaciones analíticas de las arenas silíceas establecidas como insumo para la fabricación de vidrio y otras aplicaciones.Entre las materias primas más importantes para la fabricación de los vidrios más comunes se tiene: la arena siücea. el feldespato, la caliza y la dolomita.En lo que respecta a la calidad, los parámetros que deben controlarse• son: el análisis químico se lleva a cabo por los métodos convencionales (gravimétricos, volumétricos) o instrumentales, y tiene dos finalidades: determinar el contenido de las sustancias (sílice, trazas de fierro) en las arenas silíceas, siendo éstas la materia prima fundamental en la fabricación del vidrio; y establecer la presencia de impurezas.Otro parámetro a controlar es la granulometría, dado que tanto las partículas demasiado finas como las demasiado gruesas no son recomendables; se sugiere que el tamaño de grano debe estar entre 0,4 y 0,2 - 0,3 mm para fusión en crisoles, que corresponde a las mallas ASTM entre 20 y 80.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Ingeniero Civil Químico / Nanopartículas esféricas y laminares de sílice, sintetizadas mediante el método sol-gel, y nanoarcillas comerciales (Cloisite® C20A y C30B) fueron utilizadas como material de relleno en la preparación de compósitos de polipropileno (PP) y policaprolactama (PA6) mediante mezclado en estado fundido, cuyo objetivo principal es estudiar el efecto de la incorporación de diferentes nanopartículas en las propiedades barreras, mecánicas y térmicas de los compósitos. Imágenes de microscopia de transmisión electrónica de los compósitos mostraron que todas las nanopartículas presentan aglomerados dispersados en las matrices poliméricas, lográndose observar también algunas partículas individuales. En propiedades barreras, las partículas esféricas de sílice incrementaron levemente la permeabilidad al oxígeno, mientras que las partículas laminares de sílice mostraron un importante aumento, incrementándose en un factor de 3.5 al 10 %p/p. En el caso de las arcillas, la C30B en PA6 también mostró un incremento del 46% al 15 %p/p, sin embargo, la C20A en PP es la única que reveló una disminución del 28% a la misma carga másica. La permeabilidad al vapor de agua también mostró aumentos semejantes a los obtenidos en la permeabilidad al oxígeno. Estas tendencias fueron producto de la formación de aglomerados entre las partículas y del espacio libre interfasial, los que crean caminos preferentes, facilitando la permeación de gases a través de ellas. Con respecto a propiedades mecánicas, la incorporación de nanopartículas aumentó la rigidez de los compósitos, reflejado en un aumento de sus módulos elásticos. Sólo en el caso del PP con nanopartículas de sílice laminar se obtuvo una disminución del 52% al 10 %p/p, debido a la formación de grietas y aglomerados. A su vez, se encontró que en todos los compósitos de PP el límite de elasticidad disminuye, llegando a un 90% en reducción en PP con sílice laminar. Por el contrario, en el caso de la PA6 con C30B se observó un aumento del 50% al 10 %p/p de esta arcilla. En la elongación al quiebre, se encontró que en todos los nanocompósitos se ve reducido drásticamente, disminuyendo hasta en un 99% en los casos del PP y en 67% en el caso de la PA6. Finalmente, se determinó que las nanopartículas incorporadas mejoran la estabilidad térmica de los materiales mediante el mecanismo de adsorción física o química de productos volátiles en la superficie. También se estableció que las partículas actúan como centros de nucleación en la cristalización de los polímeros, afectando sus morfologías, encontrando que las propiedades finales dependen tanto del relleno, como de los cambios en la matriz polimérica. Los resultados de esta tesis muestran que la adición de nanopartículas en matrices poliméricas tiene un gran impacto sobre sus propiedades barreras, mecánicas y térmicas. Además, el efecto de las nanopartículas no sólo depende de la concentración y dispersión, sino que también dependen fuertemente de su geometría y de la interacciones partícula-polímero.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Ingeniero Civil Químico / Nanopartículas esféricas de sílice de 20 y 100 nm de diámetro fueron sintetizadas por el método sol-gel, utilizando tetraetilortosilicato (TEOS) como iniciador, las cuales fueron posteriormente modificadas por reacciones de grafting con clorosilanos y por líquidos iónicos como agentes surfactantes, para ser utilizadas como relleno nanométrico en compósitos de polipropileno (PP). El objetivo principal de este trabajo es estudiar el efecto de la incorporación de nanopartículas de sílice de distintos tamaños, concentraciones y funcionalidad superficial sobre las propiedades mecánicas, térmicas y de barrera al oxígeno y vapor de agua, para ser utilizados en empaque de alimentos. Se encontró que la adición de nanopartículas de sílice aumenta la rigidez del material, a la vez que disminuye su límite elástico y tenacidad. Nanopartículas de menor tamaño tienen un mayor efecto sobre las propiedades del material dada su mayor superficie específica. El módulo elástico del material aumentó hasta en un 80% con la adición de 30 %p/p de nanopartículas de 20 nm, a la vez que la elongación máxima disminuye hasta en un 99%. La modificación superficial de la sílice, tanto por clorosilanos como por líquidos iónicos aumenta considerablemente la tenacidad, aumentando al doble la elongación máxima, posiblemente dada la mayor movilidad de las cadenas poliméricas en la interfase polímero-partícula. En propiedades de barrera se encontró que en general la adición de sílice nanométrica aumenta la permeabilidad al oxígeno y vapor de agua del material, dada la formación de espacios libres en la interfase polímero partícula, los cuales al aglomerarse formando canales preferentes a la permeación. Con ello se logró un aumento en la permeabilidad al hasta 14 veces para el oxígeno y 6 veces para el vapor de agua utilizando nanopartículas de 20 nm, mientras que para nanopartículas de 100 nm se alcanzó un aumento de hasta 6 y 2 veces para el oxígeno y vapor de agua respectivamente, al 30 %p/p de sílice para todos los casos mencionados. La modificación por clorosilanos aumenta el coeficiente de permeabilidad posiblemente debido a la condensación y aglomeración de partículas durante la etapa de modificación. Por otro lado, la modificación por líquidos iónicos aumenta la permeabilidad al vapor de agua debido a la naturaleza higroscópica de estos, aumentando la solubilidad del vapor de agua en el material, y por consecuencia su permeabilidad. Se encontró que las nanopartículas de sílice actúan como sitios de nucleación para la cristalización del polipropileno, afectando la morfología de la matriz, por lo que las propiedades finales no solo dependen de la presencia del relleno, sino también de cambios en la matriz polimérica misma. Finalmente, se encontró que las nanopartículas aumentan la estabilidad térmica del material, aumentando su temperatura de degradación por un mecanismo de absorción de volátiles sobre su superficie. Se estableció que las propiedades finales de un material nanocompuesto dependerán no solo de la morfología del relleno, sino también del tamaño y de la funcionalidad superficial de éstas.

Doctor en Química / Esta tesis está enfocada en la obtención de nanocompósitos basados en polipropileno (PP), utilizando nanoláminas de grafito (GNS) y nanopartículas de sílice como carga. Se incorpora GNS a matrices de distintos copolímeros de PP con alfa-olefinas de 6, 8 y 18 átomos de carbono, con el objetivo de lograr un comportamiento mecánico mejorado y además otorgar a los nanocompósitos las propiedades intrínsecas de GNS, como son la estabilidad térmica y conductividad eléctrica. Por otro lado, se utilizan nanopartículas de sílice mesoporosa como soporte del sistema catalítico de polimerización de propileno, con la finalidad de obtener nanocompósitos PP/sílice. La primera etapa consiste en el estudio de las reacciones de copolimerización utilizando el sistema catalítico metalocénico (Me2Si(Ind)2ZrCl2/MAO), donde se logra controlar la incorporación de los comonómeros y el peso molecular de los copolímeros. Posteriormente, se lleva a cabo la preparación de los nanocompósitos basados en estos copolímeros, adicionando GNS vía polimerización in situ. Los materiales obtenidos se caracterizan para estudiar la influencia de la carga y su concentración, principalmente sobre las propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas. Se observan cambios significativos en la temperatura de cristalización y aumentos de la estabilidad térmica en todos los materiales. Con respecto al comportamiento mecánico, los copolímeros de PP y 1-octadeceno, presentan mayores elongaciones a la ruptura que el resto de las matrices, permitiendo aumentar la concentración de carga adicionada, sin influir significativamente en su elasticidad. La conductividad eléctrica de los nanocompósitos alcanza valores que permite clasificarlos como materiales semiconductores. Además se prepara y caracteriza nanocompósitos con GNS vía mezcla en estado fundido, utilizando los copolímeros anteriormente sintetizados. Se estudia la influencia de diferentes tratamientos térmicos, específicamente, la velocidad de enfriamiento en la preparación de películas a partir del polímero fundido, lo que influye de manera importante en la cristalinidad y comportamiento mecánico de estos materiales. Con respecto a la utilización de sílice como carga, se estudia una nanopartícula del tipo mesoporosa (MCM-41). La metodología empleada para obtener los nanocompósitos es la catálisis heterogénea, ya que MCM-41 posee las características necesarias para ser utilizada como soporte de los catalizadores metalocenos. Así, la sílice actúa como soporte y carga simultáneamente, quedando dispersa en la matriz de PP. Se realiza un estudio de las metodologías de impregnación del catalizador metalocénico sobre las nanopartículas y la posterior polimerización de propileno. La optimización de diferentes parámetros durante la preparación del sistema heterogéneo, permite lograr una actividad catalítica adecuada para la obtención de nanocompósitos de PP/sílice, con diferentes concentraciones de carga, para finalmente evaluar el efecto que causan estas nanopartículas sobre las propiedades de esta matriz polimérica / This thesis is focused on the production of nanocomposites based on polypropylene (PP) using graphite nanosheets (GNS) and silica nanoparticles as fillers. GNS is incorporated in different PP copolymers with alpha-olefins of 6, 8 and 18 carbon atoms, in order to achieve an improved mechanical behavior and nanocomposites with intrinsic properties coming from GNS, such as thermal stability and electrical conductivity. Furthermore, mesoporous silica nanoparticles are used as support for catalyst and filler, for propylene polymerization, in order to obtain PP / silica nanocomposites. The first stage involves the study of the copolymerization reactions using the metallocene catalyst system (Me2Si(Ind)2ZrCl2/MAO), which is able to control the incorporation of comonomers as well as the molecular weight of the copolymers. Subsequently the preparation of nanocomposites based on these copolymers is performed, adding GNS via in situ polymerization. The materials obtained are characterized to study the influence of the filler concentration mainly on the thermal, mechanical and electrical properties of nanocomposites. Significant changes were observed in the crystallization temperature and the thermal stability of all materials. With respect to the mechanical performance, copolymers of PP and 1-octadecene exhibit higher elongation at break than other copolymers, even at high filler concentration without significantly change of elasticity. The electrical conductivity of the nanocomposite reached values corresponding to semiconductor materials. Furthermore, nanocomposites with GNS were prepared via melt blending and characterized using the above synthesized copolymers. The influence of different thermal treatments, specifically, the cooling rate on the preparation of films from molten polymer was studied, where a significant influence on the crystallinity and mechanical behavior of these materials was observed. With respect to the use of silica as filler, a mesoporous type nanoparticle (MCM-41) is studied. The methodology used for obtaining nanocomposites is heterogeneous catalysis since MCM-41 has the necessary characteristics to be used as support for metallocene catalysts. Thus, the silica acts as a support and simultaneously as filler, being dispersed in the PP matrix. A study of methods of impregnating the metallocene catalyst on the nanoparticles and the subsequent polymerization of propylene is performed. The optimization of different parameters during the preparation of heterogeneous system, can achieve adequate catalytic activity for the production of PP / silica nanocomposites with different filler concentrations, to finally evaluate the effect caused by these nanoparticles on the properties of the polymer matrix

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Presenta diez datos experimentales para construir la isoterma de adsorción del sistema n-Heptano – Tolueno en el rango completo de concentración de Tolueno; también presenta doce datos experimentales para las mezclas n-Pentano - Tolueno, n-Heptano – Tolueno y n-Octano – Tolueno en función de la concentración del Tolueno en el rango de bajas concentraciones, hasta 0.0800 de fracción molar, utilizando la sílica gel como adsorbente en todos los casos. Determina la isoterma de adsorción aparente a 30°C y se ha supuesto la adsorción preferencial del Tolueno a partir de soluciones líquidas binarias n-alcano – Tolueno. Se ha adoptado el tratamiento termodinámico de adsorción a partir de soluciones binarias propuestas por Everett y la teoría de Gibbs para adsorción de líquidos en superficies sólidas. El adsorbente utilizado es sílica gel de marca J. T. Baker de 60-200 mesh, microporoso, de 605 m2/g de área superficial BET evaluada con nitrógeno para ésta investigación. Las mezclas fueron preparadas con reactivos de alta pureza provenientes de marcas de reconocido prestigio, la prueba que se ha considerado determinante para caracterizar el adsorbato es el índice de refracción de la sustancia pura a 25°C. La concentración antes y después de la adsorción ha sido determinada por refractometría a 25.00 ± 0.02°C con un refractómetro Baush & Lomb con ± 0.00003 de exactitud. / Tesis

Ingeniero Civil Químico / Nanoarcillas laminares comerciales (Cloisite® C20A y C30B), nanopartículas esféricas de sílice (NSE o SiO2), sintetizadas mediante el método sol-gel, y nanotubos de carbono comerciales (NTC) fueron utilizados como material de relleno en la preparación de nanocompósitos de policaprolactama (PA6) mediante mezclado en estado fundido, con el objetivo principal de estudiar el efecto de la incorporación de diferentes nanopartículas en las propiedades de barrera y mecánicas de los nanocompósitos. En propiedades barreras, los nanocompósitos con partículas esféricas de SiO2 y nanotubos de carbono incrementaron la permeabilidad al oxígeno, respecto a la matriz, debido a la formación de canales preferentes, mientras que las nanoarcillas laminares mostraron un comportamiento dual, incrementando la permeabilidad alrededor del 130% para una concentración del 5% p/p y disminuyéndola, respecto de la matriz, en torno al 45% para una concentración de 15% p/p. La permeabilidad al vapor de agua mostró una disminución del orden del 12% para nanoesferas, entre 30% y 50% para arcillas, mientras que los nanotubos provocaron un aumento de hasta un 32%. Estas tendencias fueron producto de la generación de espacio libre interfasial, (debido a aglomeraciones en el caso de nanoarcillas, mala interfaz en nanoesferas y baja interacción partícula-polímero para NTC) creando caminos preferentes, facilitando la permeación de gases a través de la matriz. Este fenómeno compite con el aumento de la superficie disponible para la adsorción, observándose así aumentos en la permeabilidad al oxígeno y disminución para el vapor de agua, con excepción de los nanocompósitos con NTC, todo esto debido a la interacción permeante-nanocompósito. Con respecto a las propiedades mecánicas, la incorporación de nanopartículas aumentó la rigidez de los diferentes nanocompósitos, reflejado en un aumento del módulo elástico. Por otro lado, la elongación al quiebre, se ve reducida drásticamente en todos los nanocompósitos, disminuyendo hasta en un 98% para todos los casos. Los resultados de este trabajo muestran que la adición de nanopartículas (con diferente razón de aspecto) en policaprolactama tiene un significativo impacto sobre sus propiedades de barrera y mecánicas. Además, el efecto de las nanopartículas no sólo depende de la concentración y dispersión, sino que también depende fuertemente de las interacciones partícula-polímero.

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Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / Ingeniero Civil Químico / Las películas delgadas cerámicas se pueden utilizar como recubrimiento y como membranas para la separación de gases. Por otro lado, nanopartículas de cobre poseen variadas funcionalidades, como propiedades anti-bacterianas o capacidad catalítica para el reformado de metanol, que aportarían a las películas estas propiedades específicas. En este contexto, el objetivo del presente trabajo es desarrollar una metodología capaz de producir películas delgadas de sílice, con nanopartículas de cobre metálico en el material resultante. La síntesis de estas películas delgadas se logra por medio de la técnica Sol-Gel, utilizando tetraetilortosilicato (TEOS) como precursor de la sílice y basándose en el método de dos pasos: hidrólisis del TEOS y envejecido del Sol. Durante este segundo paso se realizan modificaciones que afectan a la película resultante: presencia de un surfactante (CTAB) para producir mesoporos, y síntesis in-situ de nanopartículas de cobre metálico. Se utilizó un proceso de dip-coating, el cual fue corregido debido a que los soportes no eran recubiertos en toda su superficie. Para ello, se adoptó la aplicación de recubrimientos múltiples en cada muestra junto con la optimización de la viscosidad del Sol. También se eliminó la presencia de micropartículas, presentes debido al uso de soluciones básicas en la síntesis. A pesar de esto las membranas aún presentan grietas en su superficie, asociadas a defectos internos presentes debido al mayor espesor de película, limitando su uso en separación de gases. Las películas de sílice obtenidas cuentan con un espesor controlado del orden de los 1-3 μm. En cuanto a las nanopartículas de cobre, se comprobó por medio de UV-vis que en el Sol estas se encuentran en estado reducido, presentando un pico en los 570 nm. Por medio tanto de SEM como de TEM se observó la distribución de tamaño de estas partículas, entre los 50 y 600 nm. Con respecto a las membranas nanocompuestas, por medio de Reducción por Temperatura Programada (TPR) se estimó su potencial catalítico. Este indicó que cerca de un décimo del cobre cargado en la síntesis sería cobre activo en el nanocompuesto. Sin embargo, en las pruebas de reformado no se logró medir hidrógeno como producto de reacción, indicando baja o nula actividad, que puede deberse al corto tiempo de contacto con el catalizador dentro del reactor. Por otro lado, se realizaron pruebas para conocer su capacidad anti-bacteriana. En la prueba de liberación de iones de cobre se observó potencial actividad, sin embargo la prueba de halo inhibitorio no indicó diferencia medible entre las muestras cargadas con cobre y las de control. Se concluye que, aunque la cantidad de cobre resultante sea muy baja para las aplicaciones planteadas (en su máximo de 340 µg, 3,6% de la masa de las películas), la metodología planteada es apropiada para formar películas de 1 μm de sílice con nanopartículas de cobre metálico con la metodología planteada.

En la actualidad la empresa Minera Tungsteno Málaga del Perú (MTMP) produce aproximadamente 110 000 t anuales de relave. Gracias a la iniciativa de PROESMIN, el relave proveniente del procesamiento de tungsteno fue analizado. Los análisis del mismo mostraron valores de sílice de 83,74 %, el cual puede ser aprovechado para otras industrias. El yacimiento, perteneciente a MTMP, se ubica en el distrito de Pampas, provincia de Pallasca, departamento de Ancash. Este contiene como mena la wolframita, tetraedrita, calcopirita, galena y esfalerita; además de la ganga que está compuesta por cuarzo, pirita, fluorita, rodocrosita y sericita. La sílice es utilizada en diversas industrias de acuerdo a su grado de pureza: en la industria de la construcción, pintura, silicona, abrasivos, cerámica, vidrio, electrónica y óptica, es por ello que tiene gran potencial para ser aprovechada por estas industrias. De ser rentable la recuperación de sílice a partir de este relave, no sólo se lograría un beneficio económico; sino, un aporte a la disminución de impactos ambientales, disminuyendo el volumen de relave. A su vez, se lograría un mayor impacto económico y social en la comunidad. Para conseguir el objetivo del proyecto se realizó primero un análisis mineralógico del relave identificando sus principales componentes: Plagioclasas, Feldespato potásico y Cuarzo (83,74 %). En base a la elevada pureza de sílice del relave se dispone a aumentar este valor para alcanzar un valor comercializable, por lo que se realizaron procesos metalúrgicos (Flotación y Separación Magnética). Posteriormente, se envió a analizar la muestra obteniendo una pureza de 99,59 % SiO2. Con los resultados obtenidos en el laboratorio, se realizó una búsqueda de posibles compradores en el mercado. Encontrándose que los posibles sectores económicos son el sector de elaboración de vidrio, de cerámica y fundición. Teniendo un precio estimado sería de 150-450 US$/t. Finalmente, se realizó un análisis económico del proceso considerando un OPEX de 84,26 US$/t y un CAPEX de US$ 3 558 082, se incluyó el Plan de Cierre. Obteniendo un VAN12% de 8,87 MM US$ con un TIR de 61 %, B/C de 2,67 y un Payback de 1,60 años. Además, se elaboró un Análisis de Sensibilidad variando el elemento más sensible (Precio de Sílice US$/t) llegando a la conclusión que el mínimo precio para que el proyecto sea rentable, con un VAN igual a cero, es el de 121 US$/t. / Tesis

Esta tesis doctoral se ha centrado en la síntesis y el estudio de diferentes materiales que se aplican a la preparación de catalizadores microestructurados. Este trabajo incluye la preparación de rellenos de sílice robustos mediante una metodología nueva. En general los catalizadores están basados en sílice dopados con Fe o Ti y nanopartículas de metal noble cargadas en sílice. Todos estos catalizadores han sido probados en diferentes reacciones catalíticas tales como reacción de epoxidación de propileno en fase gaseosa, generación de H2 en fase líquida y oxidación selectiva de CO para la purificación de corrientes de H2.