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Síntesis o separación de nanopartículas de plata a través del tubo
Ranque-Hilsch para su producción continua J. D. Castaño Estrada y C. A. Higuera Remolina
Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería Química. Bogotá, Colombia
Proyecto de grado 2014-II
Resumen: Adelantos recientes en la nanotecnología incluyen la utilización de principios básicos de
las ciencias cuánticas y ciencias de superficie molecular, bottom up, y métodos de miniaturización
semi-empíricos top down para síntesis. Este proyecto busca ser un aporte a esta investigación,
realizando un acercamiento inicial al desarrollo de un proceso que permita sintetizar nanopartículas
de plata de forma continua, en el tubo Ranque-Hilsch como reactor-separador, considerando
diferentes variables de proceso. El desarrollo de este proyecto evidencia una alta dependencia de la
presión, temperatura y la forma de dosificar las soluciones antes de ingresar al tubo Ranque-Hilsch,
que requiere de mayores afinamientos para ser considerado como método de síntesis y separación
continua. Los resultados obtenidos muestran una evidencia parcial de separación por tamaño de
partículas entre las corrientes fría y caliente del tubo en el caso de las nanopartículas de plata.
I. Introducción
Viendo el potencial de la nanotecnología en
la actualidad y su crecimiento a largo plazo,
Horizonte 2020, Programa Marco de
Investigación e Innovación de la Unión
Europea, consagra la nanotecnología como
una de las seis líneas esenciales de la
investigación para que Europa logre mantener
una industria competitiva [1].
La producción de nanopartículas es una
tecnología que puede entenderse como
síntesis de partículas con un tamaño de
1 𝑎 100 𝑛𝑚 según la norma ASTM E2456
[2], que se utilizan ya ampliamente en
industrias como: la electrónica, farmacéutica,
química, médica, etc. A partir de un amplio
estudio, desde el año 2000 se empezó a
utilizar esta tecnología con una alta
frecuencia.
El tubo de vórtice fue inventado, en 1928, por
George Ranque, un estudiante francés de
física, cuando estaba experimentando con una
bomba de vórtice que él había desarrollado y
se fijó en que por un extremo salía aire frío y
por el otro, aire caliente. Ranque patentó y
trató de sacarle provecho al dispositivo, pero
sin ningún éxito. Tiempo después en 1945,
Rudolph Hilsch, físico alemán, publicó varios
artículos que comprenden un extenso estudio
sobre el dispositivo [3], [4].
Las aplicaciones del tubo Ranque-Hilsch (a
partir de ahora se citará como RH) se han
extendido a lo largo del tiempo a diferentes
industrias y ha sido usado principalmente
como dispositivo refrigerador, en
procedimientos que van desde el enfriamiento
de equipos en procesos vitales, hasta la
entrega de aire caliente a la cavidad oral [4];
se ha pasado también por modificaciones más
innovadoras como la incorporación del tubo
RH en un proceso de compresión de líquidos
para el ahorro de energía [5], usando
diferentes tipos de flujo, por lo cual se conoce
que es posible trabajar con fluidos
incompresibles como el agua. En este último
caso, las presiones de entrada aumentan de 20
2
a 50 bares y se experimenta con flujos en dos
fases [6] o en dispersión (como gotas de agua
en aire) [7].
De acuerdo con los estudios, se ha evaluado
el uso del tubo RH a manera de dispositivo
separador de fluidos como el aire [8], [9],
para el aislamiemto de dióxido de carbono en
procesos altamente contaminantes [10], [11];
e incluso se sabe que ciertas condiciones
afectan en mayor medida la separación de
gases [12]. Se ha concluido que su principal
capacidad de separación se da por un efecto
de centrifugación.
Lo anterior, lleva a preguntar en qué otras
aplicaciones se puede utilizar este dispositivo,
por tal motivo, esta investigación explora el
potencial de la utilización del tubo RH como
elemento de síntesis o de separación de
nanopartículas de plata entre 20 y 50 nm en
un proceso continuo: esta es una aplicación
sin precedentes y bastante desafiante, que
puede ser una alternativa por considerar para
el proceso continuo.
El tubo RH es un dispositivo que se alimenta
usualmente de aire comprimido, para generar
un cambio de temperatura entre el conducto
de entrada tangencial al tubo y las salidas de
los extremos del mismo, como se muestra en
la Figura 1. El volumen y la temperatura de
las dos salidas se ajusta a partir de una
válvula situada dentro de la salida del aire
caliente [13], [14]. Se obtiene, como
resultado, un equipo sin partes móviles que
proporciona un flujo de salida en dos
porciones: caliente y fría; de esta forma,
pueden conseguirse temperaturas tan bajas
como: -46ºC y tan altas como 127ºC [4].
Figura 1. Esquema del tubo Ranque-Hilsch (RH).
Partiendo de la conservación de materia el
tubo tiene las siguientes relaciones
matemáticas que lo modelan:
��𝑖𝑛 = ��𝐶 + ��𝐻 {1} [6]
Donde (��𝑖𝑛) es el flujo másico de la entrada
al tubo; (��𝐶) es el flujo másico de la salida
fría; y (��𝐻) es el flujo másico de la salida
caliente.
Por la aproximación de Fulton, que en 1950
encontró una fórmula matemática para
relacionar la máxima diferencia de
temperatura en función del número de
Prandal, encontramos:
∆𝑇𝑐,𝑚𝑎𝑥
∆𝑇𝑖𝑠= 1 −
1
2𝑃𝑟 {2} [6]
Donde:
∆T𝑐,𝑚𝑎𝑥 = Tin − Tc
∆Tis = Tin (1 − (pc
pin) (
(γ−1)
γ)) {3}
γ =Cp
Cv
Hay varias explicaciones teóricas de la
dinámica del tubo RH, las cuales se
encuentran en las siguientes categorías:
(i) Teoría del cizallamiento viscoso [6], [8]:
el gas entrante tangencialmente al tubo baja
por este en espiral, pasa al interior en forma
de capas concéntricas con una velocidad
angular que va aumentando hacia el centro,
tendiendo siempre a conservar el momento
angular, lo cual da como resultado un efecto
de cizalla; la energía de las capas internas de
3
gas es transferida a las externas,
experimentando así un enfriamiento en las
capas internas y un calentamiento en las
externas.
(ii) La teoría cinético molecular [6], basada
en una distribución de este tipo, es estudiada
por varios investigadores como J. C. Maxwell
y L. Boltzman quienes habían postulado que
como el calor envolvía el movimiento de las
moléculas, entonces se asociaba este
comportamiento con la distribución de
temperatura y explicaron esto con la ayuda
del llamado “Demonio de Maxwell”. Stone,
W. G. y Love, T. A. se refieren a este efecto
como “Difusión explosiva” de las moléculas
más ligeras, y limitan estos efectos a
corrientes en contra-flujo: la corriente
entrante selectivamente reúne a las moléculas
calientes y a medida que se acercan al punto
de mayor temperatura, pierde moléculas
calientes cuando fluye hacia el centro en el
extremo cerrado; la corriente del centro
circula en dirección contraria desde el
extremo cerrado agotando así las moléculas
calientes hasta que sale del tubo. También se
sugiere que la diferencia de temperatura es
evidencia de una separación de masa [8].
Estos estudios continúan con las
investigaciones de B. Ahlborn y su modelo
que relaciona la presión de entrada y de las
salidas con la temperatura [6].
(iii) Entre otras explicaciones específicas que
resultan de bases teóricas, se encuentran la
“Convección forzada” y la ecuación
extendida de Bernoulli [8]. Con las anteriores
teorías se han desarrollado las bases para un
amplio estudio y uso de este dispositivo y su
interacción con los diferentes tipos de fluidos,
como es el caso de una síntesis.
Dado que existen varios procesos para la
síntesis de nanopartículas –por métodos
físicos y químicos–, estos dependen del tipo
de nanopartículas que se desea sintetizar, por
lo que algunas técnicas son más viables que
otras; pero la mayoría están limitadas a la
síntesis de pequeñas cantidades en operación
tipo Batch.
Las técnicas, en su mayoría, son del modelo
por lotes de las cuales las más extendidas son:
la molienda, que disminuye el tamaño de un
sólido volumétrico, y la evaporación térmica,
en la cual se utiliza un láser que vaporiza una
solución o un sólido [15]. Los procesos que
existen en continuo son los que están en fase
de laboratorio o planta piloto, por lo cual los
avances hacia este tipo de producción son
altos: entre estos se destaca la spray pyrolysis
(SP) por ser un proceso en continuo con
buenos resultados en la síntesis de partículas
nanoestructuradas multicomponente. Este
proceso tiene varios métodos de realización,
donde lo que cambia es la transferencia de
energía térmica y cómo se liberan los
reactivos. La SP consiste en la preparación de
una disolución de una sal metálica del
producto, la cual es atomizada para formar un
aerosol que es transportado por medio de un
gas portador hasta un reactor de media o alta
temperatura. Dentro del horno se evapora el
disolvente y se da la descomposición,
difusión y reacción del soluto que genera
partículas extrafinas dentro de las gotas, que
después se recolectan [16]. Otros avances en
medio continuo se han dado por estudios
usando la microfluídica, donde se elaboraron
canales cerámicos que permiten mayor
control de la síntesis y aumentar la eficiencia
del proceso [17].
Con el fin de evaluar la síntesis de
nanopartículas en el tubo RH y teniendo en
cuenta que su uso como elemento separador
ha sido puesto a prueba con partículas más
pequeñas tales como isótopos de elementos
químicos tan comunes como el aire, o
radioactivos como la plata 110 [10], se denota
4
que existe una dependencia de la presión de
entrada al tubo, y un cambio mínimo del
factor separador al variar la fracción de frío
cuando son polvos.
𝜀 =��𝐶𝑜𝑙𝑑
��𝐼𝑛 {4}
Se ha decidido partir de las nanopartículas de
plata debido a: (i) su amplio uso en el sector
de la salud por sus efectos bactericidas, en
diferentes aplicaciones biomédicas como el
recubrimiento de materiales, apósitos en
heridas y cementos óseos [18]; (ii) sus
aplicaciones en varias industrias como, por
ejemplo, en las de textiles, cosméticos,
electrónicos y farmacéuticos [19].
La síntesis química de nanopartículas de plata
generalmente se realiza a partir de una
solución acuosa de sales de plata en presencia
de un medio protector para el crecimiento de
las nanopartículas [20]; la sal de plata con
mayor uso en laboratorio es el nitrato de
plata.
Se tiene como objetivo lograr esta síntesis de
forma continua y para esto se probarán las
siguientes variables de proceso:
concentración, presión y temperatura, en un
montaje que incluye al tubo RH por sus
antecedentes, como un posible dispositivo de
síntesis o separación dentro del proceso.
II. Metodología
Con el fin de determinar parámetros de
operación, del proceso con el tubo RH y su
utilización como dispositivo de síntesis o
separación de nanopartículas, se optó por
probar experimentalmente dos escenarios
principales de dosificación:
Alimentación de la solución al tubo
que se da por medio del arrastre de
un fluido gaseoso, en este caso aire.
Inyección de la solución directamente
en el fluido, previo a que este ya se
haya desarrollado y esté en condición
estable, la cual se evalúa con la
identificación del perfil de
temperatura que desarrolla el tubo a
lo largo del tiempo.
La primera fase a su vez fue desarrollada en
dos casos: el primero, un procedimiento de
síntesis y su posterior acople al tubo RH; el
segundo, un proceso de control en el cual se
alimenta una solución de nanopartículas de
plata al tubo RH para el posterior análisis de
las salidas, este último procedimiento se
repetirá en la segunda fase. Para esto se
utiliza un montaje sencillo que permite su
ensamblaje por partes, a medida que se vayan
realizando los anteriores procesos.
El montaje final consta de 4 humidificadores
(recipientes) con sus respectivas uniones,
cánulas de oxígeno (PVC), y un tubo vortex
RH (Kit de tubo vortex 3908 elaborado por
EXAIR®) similar al de la Figura 2, con
raccords rápidos de ¼ en la entrada y las
salidas; por medio de mangueras se
conectaron las salidas a unos humidificadores
que contenían agua des-ionizada a la cual se
le burbujean los productos resultantes. El
diagrama del montaje se puede observar en la
Figura 3.
Figura 2. Diagrama isométrico del tubo RH, por
partes [21].
5
Figura 3. Diagrama explicativo de los módulos del montaje.
6
Fueron realizados los siguientes
experimentos: (i) Síntesis con nitrato de plata
y borohidruro de sodio: la reducción se
produce de acuerdo con la Ecuación 5 y las
sustancias utilizadas para estabilizar las
nanopartículas es citrato de sodio y
polivinilpirrolidona (PVP).
𝐴𝑔𝑁𝑂3 + 𝑁𝑎𝐵𝐻4
→ 𝐴𝑔 +1
2𝐻2 +
1
2𝐵2𝐻6
+ 𝑁𝑎𝑁𝑂3 {5}
El método de síntesis comúnmente usado en
laboratorio es combinar, en un recipiente con
tapa, 5 ml de nitrato de plata con 3 ml de
citrato de sodio y 3 ml de PVP, como medio
de solución; a esta mezcla se le agregan
rápidamente 2 ml de borohidruro de sodio. Se
tapa el recipiente con papel de aluminio y se
agita vigorosamente durante 15 minutos hasta
notar un cambio de color a amarillento claro.
Esta formulación es la utilizada para las
síntesis de nanopartículas de plata de la forma
por lotes, que será el punto de partida para
este trabajo y a la cual nos referiremos como
la formulación estándar. Se propone cargar un
recipiente con los tres primeros reactivos, y
en el otro recipiente solo el agente reductor
(borohidruro de sodio).
Síntesis
Durante la fase de síntesis fueron evaluados
los siguientes factores: la concentración, el
volumen y la temperatura, todos a dos
niveles. La concentración se varió
aumentándola en un orden de magnitud con
respecto a la formulación estándar, como se
muestra en la Tabla 1. La presión del flujo de
aire de alimentación fue de 8-10 psi (flujo de
aire de 2-5 l/min).
Tabla 1. Distribución de los niveles en cada factor
Factores Nivel 1 Nivel 2
Formulación
Concentración [M]
1.12mM AgNO3
2.99mM citrato de sodio
9.52mM NaBH4
0.33 M PVP
1x10-2
M AgNO3
2.99 x10-2
M citrato de sodio
9.52 x10-2
M NaBH4
0.33 M PVP
Volumen [ml] 94-Min 400-Max
Temperatura [ºC] 21-(T ambiente) 45
El procedimiento seguido fue preparar las
soluciones de los reactivos y guardar la
proporción de la formulación estándar; estas
soluciones fueron depositadas en los
humidificadores 1 y 2, respectivamente,
después estos fueron sellados, y luego se
abrió la válvula de aire comprimido (Po). Se
toman muestras a la salida de la cánula para
su análisis cada hora.
Adicionalmente se utilizó ácido clorhídrico
(HCl) para la determinación de nitrato de
plata en las muestras de la parte de síntesis.
Usando tres gotas de HCl en agua, se
depositan en el recipiente recolector del
producto; en caso de que la solución cambie
de color, de transparente a blanco, se puede
afirmar que existe en la solución nitrato de
plata; de lo contrario, no se tiene la presencia
de este componente, de acuerdo con la
Ecuación 6.
𝐴𝑔 + 2𝐻𝐶𝑙 → 𝐴𝑔𝐶𝑙2 + 𝐻2 {6}
Síntesis y separación
Para la parte de síntesis y separación se tomó
en cuenta, como punto de inicio, la muestra
con mejor resultado de la síntesis anterior y
se usaron los siguientes factores principales:
7
la presión y la temperatura, y se dejaron fijas
las siguientes variables: la del tubo RH y la
formulación, la cual fue utilizada en el nivel
que dio mejores resultados en la primera
parte. Los niveles de cada factor se muestran
en la Tabla 2.
Tabla 2. Niveles por evaluar en cada factor.
Niveles
Factores 1 2 3
Presión [psig] 20 25 30
Temperatura [ºC] 50 60 70
Separación
En la siguiente fase se desmontó un
humidificador de la alimentación y se dejó
solamente uno al cual se le cargó la muestra
control, esto es las nanopartículas de plata
sintetizadas con la formulación 1 o la
estándar; se realizaron los mismos
tratamientos de la Tabla 2.
Pruebas de separación con inyección de la
solución
Posteriormente, fue utilizado el siguiente
método de alimentación de la mezcla para
inyectar la solución de control: se adicionó a
la entrada del tubo una unión tipo T como se
ilustra en la Figura 4. Se inyectó 1,5 ml a dos
diferentes presiones (25 y 30 psig), dos veces
en cada caso.
Figura 4. Acople para inyectar las nanopartículas a
la alimentación de aire.
El análisis de las soluciones obtenidas se
realizó mediante observación directa de la
coloración, y la curva de absorción UV-Vis,
con un espectrofotómetro, modelo
VarianCary 50. La concentración de las
muestras fueron evaluadas contra una
estándar, realizando una curva de calibración
como técnica analítica [22], para los dos
niveles tratados. Adicionalmente, se sacaron
imágenes de las soluciones resultantes de las
salidas del tubo con el microscopio
electrónico de transmisión (TEM).
Las correlaciones se obtuvieron para las dos
formulaciones trabajadas diluyendo una
muestra patrón de nanopartículas sintetizada
de modo por lotes (Anexo 3), permitiendo
calcular la concentración de las muestras
resultantes con las siguientes ecuaciones.
Para los picos se observa en la muestra del
espectro UV-V en el rango de 320 a 500 nm.
𝑥: pico máximo [Abs].
Formulación Nivel 1:
𝑦 = 0,0002𝑥−8𝐸−7 {7}
Formulación Nivel 2:
8
𝑦 = −8𝐸 − 5𝑥4 + 0,0006𝑥3 −
0,0016𝑥2 + 0,0038𝑥 − 0,0002 {8}
Para las áreas se delimita un rango de
integración de la longitud de onda entre 320 y
500 nm.
𝑥: Área bajo la curva del espectro UV-
Vis. [𝐴𝑏𝑠 ⋅ 𝑛𝑚]
Formulación Nivel 1:
𝑦 = 1𝐸 − 10𝑥3 − 9𝐸 − 8𝑥2 + 3𝐸 −
5𝑥 − 0,0002 {9}
Formulación Nivel 2:
𝑦 = 1𝐸 − 11𝑥3 − 3𝐸 − 9𝑥2 + 2𝐸 − 6𝑥 −
2𝐸 − 6 {10}
Donde en ambos casos:
𝑦: concentración de la muestra [M]
La técnica utilizada tiene un rango óptimo de
concentración de 1.4E-4 M a 1.1E-5 M para
la formulación 1 y de 0.003 M a 1.2E-4 M
para la formulación 2, con un error analítico
asociado de 0.39% y de 0.58%,
respectivamente, para cada formulación.
Para la caracterización del perfil de
temperatura del tubo RH, durante la
operación se utilizó un método no invasivo y
se grabó un video con la cámara térmica TIM
Connect; esto fue observado en dos
experimentos con diferentes niveles: cuando
la temperatura de la solución de
nanopartículas está a temperatura ambiente y
cuando está a 50ºC.
III. Análisis de resultados
Síntesis
Durante la fase de síntesis, después de haber
realizado los primeros 4 experimentos a
temperatura ambiente sin obtener resultados
cualitativos frente al color de la solución o
prácticamente nulos, se hizo una
modificación a los mismos debido al
siguiente interrogante: ¿es posible la
degradación de alguno de los reactivos
utilizados? Por este motivo, se repitieron los
experimentos individualmente en ambos
recipientes.
Se determinó evaluar con el uso del ácido
clorhídrico, qué factores mejoraban el
transporte de nitrato de plata (recipiente 1);
igualmente, con el borohidruro de sodio
(recipiente 2), pero se utilizó nitrato de plata
para su determinación.
Con el nivel de formulación 1 para el nitrato
de plata, a temperatura ambiente, con ambos
niveles de volumen no se obtuvo una
respuesta cualitativa de la coloración; los
experimentos se detuvieron al cabo de 2
horas. Al elevar la temperatura a 50ºC el
resultado fue similar aunque en la muestra de
1 hora se veía cierta coloración en unas
pequeñas zonas, ilustradas en la Figura 5.
Figura 5. Determinación de AgNO3 para la
concentración inicial de 1.12mM a 50ºC. (gota
izquierda). Resultado del blanco (gota derecha)
muestra recolectada del flujo de aire.
Con el nivel de formulación 2 para el nitrato
de plata se observó un comportamiento
similar a temperatura ambiente; sin embargo,
se obtuvo una respuesta cualitativa positiva
de la coloración para la temperatura de 50ºC,
en la muestra de 30 minutos, que se observa
9
en la Figura 6. El tiempo es más corto en
comparación con el anterior.
Figura 6. Muestra de la salida del producto por
arrastre de aire a una temperatura de 50ºC tomada
después de 30 min.
Al repetirse lo anterior para el borohidruro de
sodio se encontró que, para la formulación en
ambos niveles a temperatura ambiente no se
obtiene ningún cambio cualitativo una vez
finalizando el procedimiento, después de 2
horas. Pero al aumentar la temperatura
(aprox. 53ºC), en el nivel 2 de formulación,
hay un cambio mínimo en la coloración al
cabo de 30 minutos: pasa de transparente a un
amarillo ocre, que es posible observar en la
Figura 7, y concuerda con el color que toma
la solución de nanopartículas al nivel de
formulación 2 [23].
Figura 7. Resultado de la determinación de
borohidruro de sodio en el nivel 2 de formulación
arrastrado por el aire; después de 30 min. comienza
la coloración.
Los resultados individuales anteriores
permiten determinar un punto de posible
éxito en un intervalo de tiempo relativamente
corto de 30 minutos; se considera que la
temperatura al nivel 2 para ambos recipientes
y la formulación al nivel 2, son la condición
más viable. Al realizar este experimento se
logró observar una coloración muy tenue al
cabo de una hora, y un resultado parcialmente
similar al de las nanopartículas a las 2 horas
que se presenta en la Figura 8. Los espectros
UV-Vis muestran el comportamiento que se
ilustra en la Figura 9.
Figura 8. Resultado de síntesis sin estabilizantes,
después de 2 horas de reacción. Se logra ver un
cambio de color en la solución.
Figura 9. Espectro UV-Vis: para los niveles 2 de la
temperatura y la formulación, tomados 1 y 2 horas
después. Se muestra un pequeño pico de 0,074 a 425
nm.
El resultado anterior se dio sin la presencia
del estabilizante en la solución y con una
diferencia de temperaturas entre los dos
recipientes de 5ºC. Se realizó entonces una
réplica del experimento utilizando el
0
0,05
0,1
0,15
0,2
300 400 500
Ab
s
Long.Ond [nm]
muestra 1 hora
muestra 2 horas
10
estabilizante como solución para la
suspensión del producto en el tercer
humidificador, y manteniendo una
temperatura similar en los dos recipientes. No
obstante, la temperatura del recipiente 1 se
mantuvo un grado, aproximadamente, por
encima de la del recipiente 2, 53ºC en
promedio; los resultados son positivos
permitiendo así ver una respuesta consistente
en la coloración de la solución y el espectro
UV-Vis con el pico característico como se ve
en la Figura 10.
Figura 10. Espectro de la síntesis para la réplica
después de 1 hora de comenzado el experimento. El
pico se encuentra a 0,2 Abs y 419.98 nm.
De acuerdo con la ecuación de la curva de
calibración, Ecuación 8, con el pico la
concentración de plata en la muestra es de
5.086610−4M.
Síntesis en el tubo RH
Previo al acople con el tubo RH, se tomaron
las temperaturas de las salidas del mismo, con
un termómetro láser sobre la superficie de
salida de los acoples rápidos en ambas salidas
del tubo, variando la presión de alimentación
a temperatura ambiente; se encontró que a
mayor presión hay un aumento en el
diferencial de temperatura en los extremos
del tubo como se muestra en la Tabla.3.
Tabla 3. Temperaturas de las salidas del tubo RH a
distintas presiones de entrada.
Presión
[psig]
T Caliente
[ºC]
T Fría
[ºC] ∆𝑇 [ºC]
20 19,4 17 2,4
30 27,4 16,8 10,6
40 31,5 16,2 15,3
Combinando la Ecuación 1 con la Ecuación 4
se tiene lo siguiente:
��𝑖𝑛 = 𝜀��𝑖𝑛 + (1 − 𝜀)��𝑖𝑛 {11} [6]
Aplicando la primera ley de la termodinámica
en estado estable y aislado y despreciando la
contribución de la velocidad, ya que está por
debajo de la del sonido, se llega a esta
fórmula:
�� = ∑ ��𝑘𝑘 − ∑ ��𝑘𝑘 − ∑ 𝑝𝑘��𝑘𝑘 + 𝑃 {12} [6]
Donde �� es la tasa de cambio de la energía
interna del sistema.
El flujo de entalpía del sistema se define
como �� = ��ℎ y la entalpía específica para
un gas como el aire se puede expresar de esta
forma ℎ = 𝐶𝑝𝑇 [6], lo cual da como resultado
la siguiente ecuación:
0 = ��𝑖𝑛[𝐶𝑝𝑇𝑖𝑛 − (1 − 𝜀)𝐶𝑝𝑇ℎ − 𝜀𝐶𝑝𝑇𝑐 {13}
[6]
Ahora para calcular las temperaturas se
acomoda la Ecuación 13:
𝑇𝑖𝑛 − (1 − 𝜀)𝑇ℎ − 𝜀𝑇𝑐 = 0 {13´} [6]
A partir de lo anterior, es posible remplazar
las siguientes ecuaciones:
∆𝑇ℎ = 𝑇ℎ − 𝑇𝑖𝑛
∆𝑇𝑐 = 𝑇𝑐 − 𝑇𝑖𝑛 {14} [6]
∆𝑇ℎ𝑐 = 𝑇ℎ − 𝑇𝑐
Remplazando en el balance se obtiene que:
0
0,05
0,1
0,15
0,2
300 400 500 600
Ab
sorb
anci
a [A
bs]
Longitud de onda [nm]
11
𝑇𝑖𝑛 = (1 − 𝜀)𝑇ℎ + 𝜀𝑇𝑐
𝜀∆𝑇𝑐 = (𝜀 − 1)∆𝑇ℎ
∆𝑇ℎ = 𝜀∆𝑇ℎ𝑐 {15} [6]
∆𝑇𝑐 = −(1 − 𝜀)∆𝑇ℎ𝑐
∆𝑇ℎ𝑐 = −∆𝑇𝑐
1 − 𝜀
Evaluando las propiedades del fluido, que es
aire húmedo, podemos observar que el rango
de trabajo del gamma en este caso está
alrededor de 1.8 como se ve en en la Figura
11.
Figura 11. Temperaturas en función del gamma.
Lo anterior se relaciona con la Ecuación 2
para calcular las temperaturas del gas; los
resultados obtenidos se presentan en la tabla
4.
Tabla 4. Temperaturas del gas calculadas con la
relación de Fulton.
Presión [psig] T Caliente [ºC] T Fría [ºC]
20 22,703 14,430
25 34,096 12,944
30 41,691 11,953
40 51,185 10,715
Las temperaturas calculadas son mayores
para la salida caliente y menores para la
salida fría, como es de esperase puesto que es
la temperatura calculada del interior del gas y
no la de la superficie del tubo.
Al acoplarse el tubo RH al montaje,
utilizando la cámara de infrarrojo “TIM”
auto-ajustada a la máxima temperatura y la
mínima, para generar una escala de colores,
se realizó una imagen térmica sobre el tubo
en el cual se observa de manera más precisa
el diferencial de temperatura que este
presenta.
El perfil de temperatura encontrado a lo largo
del tubo RH fue obtenido con una presión de
30 psi y un nivel de temperatura ambiente,
para la alimentación de la solución de
nanopartículas. Después de 20 minutos el
sistema se encuentra en estado estable. Se
evidencia una salida de 32°C por el lado
caliente y de 17°C, aproximadamente, por el
lado frío. De esta manera, se da un diferencial
de temperatura de 15°C, como se observa en
la Figura. 12.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Gamma
Tc 20 psi Tc 25 psi Tc 30 psi Tc 40 psi
Th 20 psi Th 25 psi Th 30 psi Th 40 psi
12
Figura 12 . Perfil de temperatura del tubo RH, con la alimentación a temperatura ambiente. (T1) Entrada del
tubo. (T2) Salida caliente del tubo. (T3) Salida fría del tubo.
Al variar la temperatura de alimentación de la
solución de nanopartículas a 50ºC, se
observa un enfriamiento a la entrada del tubo
RH, mientras el fluido entra a una
temperatura de 30°C, aproximadamente.
Igual que en el caso anterior al estabilizarse el
tubo RH, se observa una salida de 30°C por el
lado caliente, de 17°C por el frío y una
temperatura máxima de 32,9ºC en el centro
del tubo con dirección hacia la salida caliente,
como se ilustra en la Figura 13.
Figura 13. Perfil de temperatura del tubo RH, con una temperatura de alimentación de 50ºC. (T1) Entrada del
tubo. (T2) Salida caliente del tubo. (T3) Salida fría del tubo.
La formulación utilizada al realizar los
experimentos de síntesis y separación, fue el
nivel 2 con el cual se obtuvieron los
resultados más prometedores en la fase de
síntesis; al realizar los experimentos se
comenzó con la presión de 20 psig y se varió
la temperatura.
Se cargaron los recipientes 1 y 2 con 94 ml de
solución de los reactivos y los recipientes 3 y
13
4 con 10 ml de agua des-ionizada en todos los
casos.
Se llevó a cabo el experimento a una
temperatura de 50ºC en ambos recipientes; se
tomaron muestras y después de 2 horas,
únicamente se obtuvo una muestra por el lado
frío del tubo, donde fue posible recoger 2 ml
de una solución incolora. El espectro UV-Vis
no presenta el pico representativo, solo una
curva descendente, con un cambio de
pendiente cerca de los 400 nm, lo cual
significa que la muestra de nanopartículas es
muy poli-dispersa, o estas no se encuentran
en la solución. Lo anterior se ve en la Figura
14.
Figura 14. Espectro de la salida fría, a 50ºC.
En la siguiente temperatura (60ºC), al cabo de
dos horas de proceso, se obtuvo una muestra
de 1.5 ml para la salida caliente y 1.8 ml para
la salida fría. Las soluciones presentan una
coloración similar y el espectro UV-Vis que
se observa en la Figura 15 también muestra
un cambio de pendiente en los 400 nm para la
salida fría, pero la salida caliente muestra un
cambio mas pronunciado cuando se acerca a
los 300 nm.
Figura 15. Resultados del espectro UV-Vis a 60ºC:
no se presenta ningún pico.
En el experimento a 70ºC, se observa en los
recipientes 1 y 2 un descenso del nivel de los
reactivos, que en un principio se asoció a un
mayor transporte de los mismos; sin embargo,
estos no presentan un resultado que apoye la
síntesis debido a que la coloración de las
muestra a la salida no varió. Aunque el
espectro UV-Vis, que se observa en la Figura
16, aumenta el nivel de absorbancia
considerablemente con respecto a los
anteriores, sigue sin aparecer el pico
representativo de las nanopartículas.
Figura 16. Espectro UV-Vis de las salidas a 70ºC, sin
presencia de picos después de 2 horas.
De acuerdo con la Figura 16, se observa que
la concentración de la corriente caliente es
mayor que la concentración de la corriente
fría, contrario a lo que ocurre en los casos
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
300 400 500 600
Ab
s
Long. onda (nm)
Salida fría
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
300 400 500 600
Ab
s
Long. Onda (nm)
Salida caliente
Salida fría
0
0,5
1
1,5
2
300 400 500 600
Ab
s
Long. Onda (nm)
Salida fría
Salida caliente
14
anteriores. Se puede asociar este cambio a la
mayor temperatura, lo cual facilita la salida
hacia el lado caliente. Al parecer la
temperatura de 70ºC, acondiciona la corriente
de entrada, de modo que es más proclive a
salir directamente por el lado caliente cuando
llega a este extremo.
Con los resultados que se obtuvieron se halló
la concentración, por medio de la ecuación de
calibración del área debajo de la curva,
puesto que ningún resultado tiene el pico
característico. Estos se pueden observar en la
Figura 17, los resultados están en el límite
óptimo de determinación de la curva, para los
experimentos a mayor presión.
Figura 17. Concentraciones de las soluciones
obtenidas a la salida del tubo RH.
Separación en el tubo RH
Se realizó el proceso de control para la
presión de 20 psig. Se preparó una solución
de nanopartículas con la formulación
propuesta, (nivel 2) la cual presenta una
coloración bastante visible incluso al ser
diluida en agua 6 veces. Al estar tan
concentrada la mezcla, el espectro UV-Vis de
la solución, que se ilustra en la Figura 18,
muestra claramente el pico en 389 nm,
aproximadamente. La concentración de
acuerdo con la curva de calibración, Ecuación
8, para la formulación nivel 2, con pico es de
0,0039 M en el límite del rango óptimo de la
curva de calibración.
Figura 18. Espectro UV-vis de nanopartículas de
plata, con la formulación nivel 2.
Al realizar las pruebas a las diferentes
temperaturas con la solución de
nanopartículas, se observó en todos los casos
que los recipientes 3 y 4 que recolectaban las
salidas fría y caliente del tubo,
respectivamente, no cambiaban de color en
las primeras 2 horas. A continuación, se
amplió el tiempo de duración de estos
experimentos hasta las 3 horas, periodo en el
cual la solución de nanopartículas se
encontraba con un volumen muy por debajo
del mínimo recomendado por el
humidificador, sin embargo, la coloración de
los recipientes no cambió.
Con los resultados de esta prueba no fue
posible obtener ninguna muestra positiva,
debido a que después de 3 horas de proceso,
solo aumentó en menos de 1 ml el volumen
de los recipientes recolectores en ambas
salidas, lo que dificultó el poder observar
algún resultado en el espectro UV-Vis, en el
cual solo se vio la línea base como si lo único
que se encontrara fuera agua.
Cuando finalizó el experimento a la
temperatura de 60 y 70ºC, se observó en el
recipiente de alimentación una aglomeración
inesperada: se formó una capa muy delgada
de plata en las paredes y se descartó seguir
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
50 60 70
Temperatura [ºC]
Co
nce
ntr
ació
n [
M] 20 Fría
20 Caliente
0
0,5
1
1,5
2
300 400 500 600
Ab
s
Long.Ond (nm)
15
experimentando a estas temperaturas, con la
formulación de nivel 2.
Debido a estos resultados se decidió
experimentar con la formulación estándar
(nivel 1), con el fin de determinar si se
seguían encontrando los mismos resultados
variando solamente la presión y manteniendo
la temperatura en 50ºC.
Se preparó una solución de nanopartículas
con la formulación estándar, la cual tiene una
coloración amarilla clara, que corresponde
con la formulación. El espectro UV-Vis
muestra el pico característico en 415 nm y la
concentración es de 0,0005M según la curva
de calibración: esto se indica en la Figura 19.
Figura 19. Espectro UV-Vis de nanopartículas de
plata alimentadas en los siguientes experimentos,
con la formulación estándar.
Al realizar el experimento a 20 psig se obtuvo
únicamente una muestra de 2.3 ml por la
salida fría del tubo, sin coloración aparente.
En el espectro UV-Vis de la muestra (Figura
20) se observa un leve pico de 0,08 Abs a los
400 nm, consistente con el de las
nanopartículas.
Para la siguiente presión de 25 psig se obtuvo
una muestra de 1.4 ml, por la salida fría; esta
no presenta coloración de la solución, aunque
en comparación con el resultado anterior hay
una disminución del volumen recolectado. El
espectro UV-Vis de la muestra en la Figura
20 no presenta picos, aunque sigue estando en
el mismo orden de magnitud que el resultado
anterior.
Figura 20. Espectro UV-Vis de la salida fría a 20 y
25 psig.
La muestra obtenida se guardó para su
posterior observación con el microscopio
electrónico de transmisión “TEM”; con los
resultados de los siguientes experimentos se
hará lo mismo.
Figura 21. Imagen TEM de la salida fría a 25 psig.
En la imagen TEM para la salida fría del
experimento a 25 psig, como se ilustra en la
Figura 21, se encuentran nanopartículas muy
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
300 400 500 600
Ab
s
Lon.Ond (nm)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
300 400 500
Ab
s Long.Ond [nm]
Salida fría P20 T50
Salida fría P25 T50
16
dispersas; utilizando el programa “ImageJ”,
se miden las nanopartículas y se observa que
tienen un tamaño medio de 14.65 nm, una
desviación estándar de 16.41 nm, donde el
mínimo es de 5.35 nm y el máximo es de 73.9
nm.
A la presión de 30 psig, se obtuvo únicamente
por el lado frío una solución de 2 ml y no se
notó un cambio de coloración aparente. Al
observar el espectro UV-Vis se nota un leve
cambio de pendiente al acercarse a los 400
nm, como se detalla en la Figura 22.
Figura 22. Espectro UV-Vis de la salida fría a 30
psig. Se muestra un cambio de pendiente
comenzando en los 379 nm.
Figura 23. Imagen TEM de la salida fría a 30 psig.
Al observar la imagen TEM de la Figura 23,
se revela la existencia de nanopartículas
aglomeradas; se indica que tienen un tamaño
medio de 10.65 nm y una desviación estándar
de 9.71 nm, donde el mínimo es de 3.26 nm y
el máximo es de 38.69 nm.
Debido a la falta de resultados por la
corriente caliente, se consideró la posibilidad
de que la solución, se estuviera escapando de
alguna manera; por tanto, se decidió
implementar un sistema de refrigeración en la
salida caliente, de modo que se pudiera
descartar una pérdida de vapor. Antes de
realizar estas adecuaciones, se hizo una
inspección del montaje para buscar posibles
obstrucciones o espacios donde se
acumularan las nanopartículas.
Se desensambló todo el montaje y se tomaron
muestras de cada parte, para su posterior
caracterización por el espectro UV-Vis que se
representa en la Figura 24. Fue posible
observar una acumulación considerable de
nanopartículas de plata en la unión de un
empate del recipiente, que recibe la salida del
tubo caliente; este presenta un pico definido
de 400 nm que corresponde a la muestra
número 9, e igual sucede con la muestra
número 4, la cual corresponde al interior del
tubo; sin embargo, el nivel de absorbancia es
0
0,05
0,1
0,15
0,2
300 400 500 600
Ab
s
Long. Onda (nm)
17
de 0.06 por fuera del rango de la curva de
calibración, ya que las nanopartículas se
pegan a la superficie del interior del tubo.
La tabla del anexo 5 señala a qué parte del
montaje hace referencia cada muestra de la
Figura 24.
Figura 24. Espectros UV-Vis de la partes del montaje.
La muestra #9 fue observada por el TEM y se
encontraron nanopartículas aglomeradas de
diferentes diámetros. Se nota que tienen un
tamaño medio de 95 nm y una desviación
estándar de 87 nm, donde el mínimo es de 17
nm y el máximo es de 331 nm, como se
ilustra en la Figura 25. No obstante, es muy
probable que estas nanopartículas sean el
aporte de varios o todos los experimentos
anteriores.
Figura 25. Imagen TEM de la unión de la salida
caliente y el recipiente recolector.
Luego de limpiar y acoplar de nuevo el
montaje, se incorporó a la salida caliente un
pequeño sistema de refrigeración a base de
hielo.
Se repitió el experimento a 30 psig y 50ºC,
obteniendo de esta forma resultados positivos
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
300 350 400 450 500 550 600
Ab
s
Long. Onda (nm)
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Muestra 4
Muestra 5
Muestra 6
Muestra 7
Muestra 8
Muestra 9
Muestra 10
18
por ambos lados del tubo; no se presentó
coloración en las muestras igual que en los
experimentos anteriores. El espectro UV-Vis
muestra una diferencia grande entre las dos
salidas: la salida fría se comporta de la misma
forma que en los resultados anteriores, pero la
caliente es mucho más baja como se observa
en la Figura 26.
Figura 26. Espectro UV-Vis de las salidas a 30 psig
con refrigeración.
Figura 27. Imagen TEM de la salida caliente con
refrigeración para 30 psig.
La imagen TEM de la salida caliente con
refrigeración que se ilustra en la Figura 27,
muestra pequeños grupos de nanopartículas,
con un tamaño medio de 24.7 nm, una
desviación estándar de 5.7 nm, donde el
mínimo es de 15.4 nm y el máximo es de
34.5 nm. Por lo tanto, se puede advertir que sí
es posible que parte de las nanopartículas se
escaparan por una corriente de mayor
temperatura que las mantiene en el aire y no
permite que sean atrapadas al burbujearlas en
el agua del depósito; mientras tanto, otra
parte se queda en la unión del recipiente
recolector.
Inyección líquida al tubo RH
En el experimento final se utilizó la solución
de nanopartículas de la formulación estándar,
la cual se inyectó directamente al tubo; este
proceso se realizó a temperatura ambiente,
para las presiones 25 y 30 psig. Con el fin de
utilizar el tubo RH en estado estable, se
esperó un lapso de 20 minutos después de
encender el dispositivo y se inyectó la
muestra de nanopartículas. Cinco minutos
después se detuvo el experimento y se
recogieron las muestras.
Estos experimentos dieron los mismos
resultados en todos los intentos, esto es, una
solución con coloración amarilla en ambas
salidas. La salida fría tuvo un tono más tenue,
el espectro UV-Vis que se observa en la
Figura 28 muestra picos definidos en el rango
de 400 a 420 nm; existe una preferencia por
la salida caliente, con una mayor absorbancia
para la presión de 30 psig, contrario a lo que
sucedió con los experimentos anteriores.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
300 400 500
Ab
s
Long.Ond [nm]
Salida fría P30 (hielo)
Salida caliente P30 (hielo)
19
Figura 28. Espectro UV-Vis para las salidas de mezclas inyectadas a 25 y 30 psi.
Por último, se calculan las concentraciones de
acuerdo con la curva de calibración para la
formulación nivel 1 dependiendo de si tiene o
no pico la curva, como se puede reconocer en
la Figura 29. Se observa que la salida fría
aumenta a mayor presión cuando la
dosificación es por medio del arrastre, pero si
la dosificación se da por medio de inyección
al tubo parece que ambas salidas aumentan, si
bien en mayor medida, la salida caliente.
En algunos experimentos no se logra alcanzar
el límite mínimo de área bajo la curva para
obtener una conversión a concentración; se
puede considerar que estos son resultados
fuera del rango posible de detección.
Figura 29. Concentraciones obtenidas de los experimentos con arrastre e inyección directa de nanopartículas de
plata con una concentración de 0,0005M.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
300 350 400 450 500
Ab
s
Long.Ond [nm]
Inyección caliente P 25
Inyección fría P 25
Inyección caliente P 30
Inyección fría P 30
0,0000000
0,0000100
0,0000200
0,0000300
0,0000400
0,0000500
0,0000600
0,0000700
0,0000800
0,0000900
0,0001000
20 25 30
Presión [psig]
Co
nce
ntr
ació
n [
M]
50 fría
50 caliente
Refrigeración fría
Refrigeración caliente
Inyección fría
Inyección caliente
20
IV. Conclusiones
Como resultado de los experimentos con la
síntesis, cuando la presión de alimentación al
sistema es de 10 psi, se evidencia una alta
dependencia de la temperatura para la
capacidad de transportar las gotas de los
reactivos, por lo cual es mejor utilizar altas
temperaturas cercanas a los 50ºC. El volumen
no afecta la síntesis, ya que se obtienen
resultados similares en ambos niveles. Por
otra parte, la formulación de las
nanopartículas tiene mayor relevancia, pues a
mayor concentración es más rápida su
detección: de hecho, en el nivel 2 se logra
detectar nanopartículas, entre 30 minutos y 1
hora después de comenzado el experimento.
La duración de los experimentos es un punto
critico que se debe considerar en las
variables, puesto que la síntesis de
nanopartículas muestra un tiempo mínimo
antes de comenzar a detectarse, pero no un
máximo donde se estabilice el proceso.
Se observan pequeñas gotas de color amarillo
delante de la unión que se encuentra en la
cánula, evidencia de que la reacción se da a lo
largo de esta para luego ser recolectadas en el
tercer humidificador.
El resultado de los experimentos de síntesis y
separación del tubo RH muestra que los
reactivos no logran entrar en contacto antes
del ingreso al tubo, tendiendo en cambio a
disminuir su capacidad de reaccionar a
medida que se aumenta la presión.
La temperatura superior a los 70ºC parece ser
un límite para la operación: es posible que la
solución empiece a perder agua, ya que esta
es la única que está arrastrando el flujo de
aire, aunque haya una temperatura menor a la
de saturación del agua, en las distintas
presiones de operación.
Para el montaje utilizado, únicamente fue
posible adecuar la presión a un máximo de 30
psi, debido a que el material de los
humificadores que se utilizaron no soportaba
una presión mayor a esta, durante tiempos
prolongados.
El trabajo con soluciones de nanopartículas
presenta varios resultados inconclusos: se
observa que las temperaturas cercanas a los
50ºC son mejores para facilitar el trasporte de
los reactivos o las nanopartículas desde los
recipientes hasta el tubo, pero dichas
temperaturas disminuyen en este trayecto por
causa del aire alimentado.
La presión parece depender del tipo de
alimentación, por tanto, es mejor utilizar
presiones pequeñas para el transporte por
arrastre de aire y mayores, cuando se inyecta
en el flujo directamente.
La alimentación de las soluciones al tubo RH
juega un papel importante, dado que los
resultados al suministrar las soluciones de
nanopartículas utilizando el flujo de aire para
arrastrar las partículas favorece la
acumulación de producto por el lado frío;
mientras que, al emplear la inyección directa
en el flujo se favorece la salida caliente. Este
comportamiento necesita más investigación.
Uno de los resultados parciales más
llamativos fue el siguiente: el proceso mostró
características de separación preferente según
los tamaños de partículas. De acuerdo con las
mediciones del programa “ImageJ”, se
observa una recolección de nanopartículas del
orden de 5 a 20 nm, con un tamaño promedio
de 12 nm, por el lado frío y las de 18 a 35 nm
y un tamaño promedio de 24 nm, por el lado
caliente.
21
V. Trabajos futuros
Los resultados anteriores abren nuevas
inquietudes sobre las condiciones de
operación del tubo RH, sin embargo, se
necesita una mayor investigación para
sensibilizar los límites y las interacciones de
los parámetros.
Debido a varios inconvenientes con los
límites físicos del montaje por desgaste, se
recomienda utilizar recipientes de mayor
resistencia con el fin de evaluar presiones
altas, dado que el tubo no fue operado a las
presiones recomendadas de 80 a 100 psi.
Para futuros experimentos es aconsejable
comprobar si existe o no dependencia de la
válvula de control de la fracción de frío,
frente a la separación de las soluciones de
nanopartículas, e incluso considerar construir
un tubo RH con una mayor longitud para
aumentar el tiempo de residencia de la
solución dentro del tubo.
Analizando el montaje, se considera que el
módulo 1 de alimentación es parte crucial
para el correcto funcionamiento del proceso;
es muy posible que la síntesis se pueda dar en
un proceso continuo siempre y cuando, se
garantice que los reactivos sí alcanzan a
interactuar el tiempo necesario, por lo cual se
debe pensar en una manera que obligue el
contacto de los reactivos con mayor
eficiencia que en el actual.
Se considera que utilizar placas paralelas
perforadas, de forma que por cada extremo
entren los reactivos y haya una colisión
forzada de los mismos antes de ingresar al
tubo RH, puede ser una muy buena
alternativa, para ser implementada.
Se recomienda realizar una comparación
computacional por medio de una simulación
de CFD de ambos casos para conocer
posibles problemas en la alimentación.
Los estudios del tubo RH en simulación se
limitan a una sola fase (en la mayoría de los
casos, gaseosa), o recomiendan una humedad
límite del flujo alimentado [7]; debido a lo
anterior, se sugiere realizar una simulación en
CFD con material particulado dentro del flujo
de alimentación al tubo, que valide o no los
resultados actuales.
VI. Referencias
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2014. [En línea]. Available:
http://www.onemagazine.es/noticia/197
91/Industria/La-nanotecnologia-
generara-un-negocio-global-cercano-a-
los-2.000-millones-en-2015.html.
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VORTEX,» S Bartolome Kalea, 2006.
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caracterización de un tubo Ranque-
Hilsch,» Revista Brasileira de Ensino de
Física , vol. 30, nº 4, p. 4305, 2008.
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Tube of Ranque (1931) & Hilsch (1945)
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behaviour in a Ranque-Hilsch vortex
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2011.
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the Ranque -Hilsch(Vortex)tube,» Oak
Ridge national laboratory, 1956.
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Bremer, Jr. , «EXPERIMENTAL
RESULTS OF A VORTEX TUBE AIR
SEPARATOR FOR ADVANCED
SPACE TRANSPORTATION,» Seattle
, 2003.
[10] A. Burger, «INTRODUCTORY
INVESTIGATION OF THE RANQUE-
HILSCH VORTEX TUBE AS A
PARTICLE SEPARATION DEVICE
FOR THE PBMR,» 2010.
[11] K. T. Raterman, M. McKellar, A.
Podgorney, D. Stacey y T. Turner, «A
Vortex Contactor for Carbon Dioxide
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Tube Model Calculations Based on
Flow Data,» Jul. Gjellerur, Risö, 1966.
[13] G. De Vera, «The Ranque-Hilsch
Vortex Tube,» 2010.
[14] M. ARJOMANDI y Y. XUE , «AN
INVESTIGATION OF THE EFFECT
OF THE HOT END PLUGS ON THE
EFFICIENCY OF THE RANQUE-
HILSCH VORTEX TUBE,» Journal of
Engineering Science and Technology,
vol. 2, nº 3, pp. 211-217, 2007.
[15] R. Zanella, «Metodologías para la
síntesis de nanopartículas: controlando
forma y tamaño,» Mundo Nano, vol. 5,
nº 1, pp. 69-81, 2012.
[16] A. I. Bárcena Millán, «Proyecto de
Sintesis y Caracterización de Particulas
Nanoestructuradas del sistema Gd2‐
xEuxO3 con un porcentaje atómico de
1% en europio y del sistema Gd2O3,»
Leganés, 2010.
[17] G.-P. M, Puyol y Alonso, «Continuous
flow synthesis of nanoparticles using
ceramic microfluidic devices,» 2010.
[18] Morales, Acevedo, Hernandez y Acosta,
«Síntesis y efecto antifungico de AgNPs
en materiales para impresiones
dentales,» nanomex.
[19] Avalos, Haza, Mateo y Morales,
«NANOPARTÍCULAS DE PLATA:
APLICACIONES Y RIESGOS
TÓXICOS PARA LA SALUD
HUMANA Y EL MEDIO
AMBIENTE,» Revista complutense de
ciencias veterinarias, pp. 1-23, 2013.
[20] S. Solomon, M. Bahadory, A.
Jeyarajasingam y Rut, «Synthesis and
study of silver nanoparticles,» J Chem
Edu, nº 84, p. 322 – 325 , 2007.
[21] Exair , [En línea]. Available:
http://www.exair.com/vortextube/vt
page.htm. . [Último acceso: julio 2014].
[22] R. D. Torrenegra G, Introduccion al
análisis químico moderno, Bogotá:
JAVEGRAF, 2004.
[23] F. Boubeta, G. Carrone, F. Iglesias, C.
Szymczak y M. Villarreal,
«Nanopartículas de Plata,» Buenos
23
Aires, S.F.
[24] D. Grosso y L. Gutierrez, «SÍNTESIS
CONTINUA DE NANOPARTÍCULAS
DE SÍLICE DENSA RECUBIERTAS
CON ORO,» [En línea]. Available:
http://www.jornadasaugm.ufpr.br/augm
_cd/nucleos/055.html. [Último acceso: 5
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[25] M. Roco, C. Mirkin y M. Hersam,
Nanotechnology Research Directions for
Societal Needs in 2020, Los angeles:
Springer, 2010.
24
Anexos
Anexo 1. Materiales Para el montaje:
Cantidad Producto
1 Línea de aire comprimido con válvula de regulación
2 Planchas de calentamiento
4 Humidificadores oxígeno medicinal.
2 Cánulas de oxígeno
1 Te plástica de ¼ rápido
1 ¼ npt H. centro
1 Conector de ¼ npt x 10 mm
4 Diss de ¼ npt
4 Uniones de ¼ npt
4 Conectores ¼ npt x ¼ rápido
1 Te de ¼ rápida plástica
2 Conectores de ¼ x unión ¼ x ¼ rápido conector ¼ npt x 6 mm
1 1/8 npt x ¼ rápido
1 Unión de 1/8 npt
Diseño de los montajes utilizados
Figura 30. Montaje de flujo continuo de aire para la síntesis de nanopartículas con los reactivos en baño de María.
25
Figura 31. Montaje general para la fase de síntesis y separación.
Figura 32. Montaje con refrigeración en la salida caliente.
Anexo 2. Las dimensiones y condiciones de uso para este proyecto del tubo RH fueron las
siguientes:
26
Dimensiones del tubo
Abertura de la válvula de control 1vuelta y ¼ Iniciando totalmente cerrada.
Largo 9,58 cm
Diámetros en cm
Interno Externo
Frio 1,4 1,89
Caliente 0,93 1,32
Entrada tubo 0,62 0,74
Interno Externo Entrada
Generador 0,45 0,65 0,27
Sleeve 0,51 0,61 0,47
Anexo 3. Curvas de calibración de las nanopartículas de plata sintetizadas del modo por lotes.
Para el nivel 1: La concentración inicial de plata para la solución inicial, es de 0.00043M
Figura 33. Diluciones para nanopartículas de plata, para el nivel 1 de formulación.
Curvas de calibración de la concentración con respecto al pico máximo y al área debajo de la curva
del espectro de absorbancia.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
300 350 400 450 500
[Ab
s]
Long.Ond [nm]
Entrada inyección
Entrada 2 ml
Entrada 1 ml
Entrada 0.5 ml
Entrada 0.25 ml
Entrada 0.2 ml
Entrada 0.15 ml
Entrada 0.1 ml
Entrada 0.08 ml
Entrada 0.05 ml
Entrada 0.03 ml
27
Los límites se calculan con la curva de Ringbom tomando los límites donde la curva es recta.
El error analítico de acuerdo con la siguiente ecuación ∆𝐶
𝐶% = 230.3 ∗
𝐸𝑖
𝑚
Donde:
Ei es el error del instrumento y depende del valor calculado por este, según una gráfica que se
encuentra en los libros de análisis.
m es la pendiente de la curva de Ringbom.
Para el nivel 2: La concentración inicial de plata para la solución es de 0.005M
y = 0,0002x - 8E-07 R² = 0,9998
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0 1 2 3
Co
nce
ntr
ació
n [
M]
Absorbancia [abs]
Pico
Lineal(Pico)
y = 1E-11x3 - 3E-09x2 + 2E-06x - 2E-06
R² = 0,9999
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0 50 100 150 200 250
Co
nce
ntr
ació
n [
M]
Área bajo la curva de absorbancia
área
Polinómica (área)
0
20
40
60
80
100
-6 -5 -4 -3
%T
LogC
Ringbom
28
Figura 34. Diluciones para nanopartículas de plata, para el nivel 2 de formulación.
Curvas de calibración de la concentración con respecto al pico máximo y al área debajo de la curva
del espectro de absorbancia .
Los límites se calcula con la curva de Ringbom tomando los límites donde la curva es recta.
y = -8E-05x4 + 0,0006x3 - 0,0016x2 + 0,0038x - 0,0002
R² = 0,9987
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 1 2 3
Co
nce
ntr
ació
n [
M]
Absorbancia [abs]
Pico
Polinómica (Pico)
y = 1E-10x3 - 9E-08x2 + 3E-05x - 0,0002
R² = 0,9986
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 100 200 300
Co
nce
ntr
ació
n [
M]
Área bajo la curva de absorbancia
área
Polinómica (área)
0
20
40
60
80
-5 -4 -3 -2
T
Log C
Ringbom
29
Anexo 4: Resultados del espectro para los primeros 4 experimentos de la fase de síntesis:
Tabla 5. Medición del pH para los productos, reactivos y blanco del experimento nivel 1 de formulación y
temperatura.
Muestra de 10 ml pH
1.12mM de AgNO3
2.99mM de citrato de
sodio
6.583
9.52mM de NaBH4 8.945
Producto en solución de
agua 7,823
Blanco con
nanopartículas 8.171
Anexo 4.1: Propiedades del fluido.
Temperatura de saturación para el agua por la ecuación de Antoine:
Presión [psi] T[ºC]
20 108,8764596
25 115,6089041
30 121,3114615
Las propiedades de aire húmedo a una temperatura ambiente de 25°C.1
Pr = 0,7
Cp = 1,005 KJ
KgK
1 Villamar, Carlos. Tablas y diagramas de termodinamica. [En línea] 2010. [Citado el: 19 de 1 de
2015.]
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/villamar/MATERIAS%20DICTADAS/TERMODINAMIC
A%201/Termo%201%20Presentaciones/Tablas%20Termodinamica.pdf.
30
Cv = 0,718 KJ
KgK
Anexo 5: Muestras que se tomaron del montaje para revisión.
Muestra Parte del tubo Imagen
1 Racord de la salida caliente.
2 Entrada del tubo.
3 Racord de la salida fría.
4 Interior del tubo.
5 Racord y unión de la entrada.
6 Generador de Vortex.
31
7 Válvula de control del tubo.
8 Racord y unión del recipiente
de la salida fría.
9 Racord y unión del recipiente
de la salida caliente.
10 Diss de la salida caliente.
Anexo 6. Experimento adicional en fase líquida continua.
Figura 35. Montaje en estado continuo con soluciones en estado líquido.
Se prepararon soluciones de 1.12mM de AgNO3, 0.33 M de PVP, 2.99mM de citrato de sodio,
9.52mM de NaBH4. En un embudo se depositan 22.72 mL de AgNO3, 13.63 mL de PVP y 13.63
de citrato, mientras en el segundo embudo se carga 50 mL de NaBH4.
Se abre la válvula de salida para dejar fluir la totalidad de la solución.
32
Figura 36. Resultado de la síntesis de nanopartículas de plata mediante el método continuo en fase líquida. La
coloración amarilla indica la presencia de nanopartículas de plata.
Como es posible observar, en la unión de ambos tubos por donde fluyen los reactivos se presenta un
cambio de coloración, el cual es un indicador de que la reacción se está dando de manera
instantánea. De igual forma, se evidencia un color amarillo oscuro que implica la presencia de
nanopartículas de forma esférica en una concentración muy elevada.
También se caracterizó la solución en el espectrofotómetro donde fue posible evidenciar un pico
cercano a una longitud de onda de 400, que era muy elevado debido a la alta concentración de la
muestra.
Figura 37. Resultado del Espectro UV-VIS para el método continuo en fase líquida.
Como el experimento fue exitoso, se decidió obtener la reacción con un mejor control en la
proporción de los reactivos, el cual debía ser de 1 a 4 del nitrato de plata con respecto al
borohidruro de sodio; debido a que la fuerza de arrastre proporcionada por el flujo de aire es la
misma en ambos recipientes, se debía garantizar que se guardara esta proporción para obtener una
correcta reacción. Allí se procedió a realizar una prueba en blanco la cual se presento de manera
continua y en estado líquido.
Figura 38. Resultado del blanco para una proporción de 4 : 1 de nitrato de plata con respecto a borohidruro de
sodio.
0
1
2
3
300 400 500 600Ab
sorb
anci
a [A
bs]
longitud de onda [nm]
33
Se nota una coloración de amarillo muy claro, por lo cual se asume que también hay nanopartículas
de plata. Sin embargo, este experimento no se realizó con agitación a lo que puede atribuirse una
posible reacción incompleta.
Para determinar la presencia de nanopartículas en el contenido de esta solución se decidió realizar
una prueba de UV-Vis con un barrido de longitudes de onda, donde fue posible observar los
resultados que se muestran a continuación:
Figura 39. Resultado del espectro UV-Vis del blanco 4:1 de nitrato de plata con respecto a borohidruro de sodio. Se
observa que el pico característico de la muestra está por el orden de 450 nm.
Comparando estos resultados con la curva de absorbancia de las nanopartículas de plata, es posible
darse cuenta de que el pico característico no coincide ya que la longitud de onda esperada debe estar
en 400 nm; por lo tanto, se concluye que el blanco realizado no tiene el resultado esperado, lo cual
puede ser atribuido a la variación de la concentración del borohidruro de sodio que fue disminuida
cuatro veces a la usada normalmente.
0
0,05
0,1
0,15
300 400 500 600Ab
sorb
anci
a [a
bs]
Longitud de onda [nm]