Determinación de los parámetros de difusión y adsorción de la zeolita ZSM-5 nanocristalina mediante cromatografía de gases

Abstract

Las zeolitas son materiales microporosos cristalinos que se han utilizado tradicionalmente como adsorbentes, como catalizadores en procesos de catálisis heterogénea y en operaciones de intercambio iónico. Las aplicaciones de las zeolitas en el campo de la adsorción son cada vez más numerosas y variadas, y por otra parte, cada vez es más frecuente emplear la adsorción como operación de separación frente a otras operaciones, debido al aumento del coste de energía y al gran desarrollo de los materiales adsorbentes. Por otro lado, la adsorción es una de las etapas fundamentales de la catálisis heterogénea, y para poder llegar a comprender adecuadamente estos procesos catalíticos es necesario obtener un conocimiento previo de los parámetros de difusión y adsorción de los reactantes en los sistemas catalíticos. En este proyecto fin de carrera se ha estudiado la adsorción de n-heptano en dos tipos de zeolitas ZSM-5 nanocristalinas mediante cromatografía de gases inversa (CGI). Las dos zeolitas estudiadas presentan propiedades texturales muy diferentes. Por una parte se tiene la Zeolita 1 (zeolita nanocristalina convencional), con una superficie BET de 418 m2/g y tamaños de cristal en el intervalo 50-100 nm, y por otro se dispone de la Zeolita 2 (zeolita nanocristalina con porosidad jerarquizada), que presenta una mayor SBET (746 m2/g) y un menor tamaño de cristal (5-15 nm). La CGI ya ha demostrado ser una técnica útil para caracterizar y estudiar los procesos de difusión y adsorción en adsorbentes microporosos (Díaz y col., 2005), y se basa en utilizar el adsorbente a estudiar (zeolitas 1 y 2) como relleno de una columna cromatográfica, inyectar un pulso de un determinado adsorbato (n-heptano), y analizar la señal de respuesta. En este proyecto, aplicando el modelo matemático de Ruthven a los cromatogramas obtenidos durante la experimentación, ha sido posible determinar y comparar los parámetros de difusión y adsorción de los dos sistemas: n-heptano/Zeolita 1 y n-heptano/Zeolita 2. Los resultados de los parámetros de adsorción obtenidos en este trabajo, muestran que la afinidad de n-heptano por la Zeolita 1 es mayor que por la Zeolita 2, lo que se pone de manifiesto por una constante de adsorción, un momento primero y un tiempo de retención mayor para la Zeolita 1 que para la Zeolita 2. Además, la fortaleza de la interacción n-heptano- Zeolita 1 es superior a la del n-heptano-Zeolita 2, como demuestra el mayor valor absoluto de la entalpía de adsorción. Con respecto a la velocidad de difusión, cuantificada mediante el cálculo de la constante de tiempo difusional (Dc/rc 2), es mayor para el caso de la Zeolita 2, debido a que la difusión del adsorbato se ve favorecida con la disminución del tamaño de cristal zeolítico. Además, la energía de activación para la difusión de n-heptano es menor en el caso de la Zeolita 2, que para la Zeolita 1. Por otra parte, las temperaturas elevadas desfavorecen la adsorción, tanto para la Zeolita 1 como para la Zeolita 2, ya que la adsorción es un proceso exotérmico. Esto se aprecia, en este trabajo, al tener una menor capacidad de adsorción para los ensayos realizados a 310ºC, frente a los realizados a 270ºC y 290ºC.