Efecto de la temperatura del tratamiento ácido de tierra de diatomea en la relación Si/AI de zeolitas tipo ZSM-5

Abstract

La tierra de diatomea boliviana es una Fuente de silicio potencialmente económica. Dada su composición compleja resulta necesario realizar un pre-tratamiento con ácido sulfúrico para reducir la concentración de impurezas y poder regular el contenido de aluminio presente en la tierra de diatomea. En el presente trabajo se realizaron distintos experimentos en la etapa del pre-tratamiento ácido con el fin de regular la concentración de especies de aluminio y modificar la relación Si/Al del producto final. EL rango de temperatura estudiado se halla entre los 50°C y los 155°C. Los resultados del tratamiento ácido y el posterior análisis estadístico de los resultados permitieron la modificación de la relación Si/Al entre 6.2 y 38.1. En la etapa posterior las tierras de diatomea modificadas fueron aplicadas para la síntesis de zeolitas tipo ZSM-5. Se probaron distintos tiempos de envejecimiento y tiempos de síntesis para optimizar las condiciones de síntesis y obtener zeolitas con las mejores propiedades posibles. El proceso de síntesis permitió la obtención de zeolitas tipo ZSM-5 con distinta relación Si/Al en el rango entre 9.6 y 38.1. Dentro del proceso de caracterización se realizaron pruebas de difracción de rayos X, identificación y cuantificación de los sitios ácidos y determinación de propiedades morfológicas como ser área superficial y volumen de microporo. Las pruebas de difracción de rayos X muestran que la única fase cristalina presente en las zeolitas es la fase de zeolita ZSM-5. Además, se determinó el grado de cristalinidad de las zeolitas por comparación de las áreas de los picos entre 22° y 25° Bragg (señales características de la zeolita ZSM-5). La cristalinidad observada varía entre 45% y 100%. El decaimiento en la cristalinidad de las zeolitas se debe al aumento en la concentración de aluminio dentro de la red cristalina de la zeolita, debido a la naturaleza disruptiva del aluminio y la alta inestabilidad estructural que el aluminio provoca. Las pruebas de adsorción de nitrógeno permitieron el estudio del área superficial la cual varía entre 229 m2/g y 300m2/g. Además, mediante el método T-Plot se determinó el volumen de microporo y el grado de cristalinidad por comparación de este último parámetro. Tanto el volumen de microporo y la cristalinidad calculada por este método muestran pérdidas debido al aumento de la concentración de aluminio en la red estructural. El aumento en la concentración de aluminio puede generar colapso de poros favoreciendo pérdidas de volumen y área superficial. Finalmente, las pruebas de desorción de amoniaco a temperatura programada permitieron la identificación de sitios ácidos de Lewis débil, sitios ácidos de Brönsted fuertes y sitios ácidos de Lewis fuertes. Al igual que en las anteriores propiedades estudiadas, la presencia de estos sitios ácidos está directamente relacionada con la concentración de aluminio en la zeolita. Mayor concentración de aluminio representa mayor deficiencia de carga compensada por cationes (acidez de Lewis débil) o compensada por protones (acidez de Brönsted). Un exceso en la concentración de aluminios provoca la dealuminación parcial de la zeolita, por lo que se generan especies de aluminio penta-coordinado (acidez de Lewis fuerte). La acidez total de las zeolitas estudiadas varía entre 0.38 molNH3/Kgzeolita hasta 0.52 molNH3/Kgzeolita. Los resultados obtenidos son de alto interés, debido a que el objetivo principal del presente trabajo de tesis es el de sentar las bases para futuras aplicaciones de la tierra de diatomea boliviana considerando un abanico de opciones y procesos tecnológicos para ser aplicadas. Con estos resultados es posible obtener zeolitas tipo ZSM-5 con una relación Si/Al flexible, permitiendo que la tierra de diatomea pueda ser un producto con mayor valor agregado.