Acerca del balance de energía de una síntesis de nanotubos de TiO2.

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Universidad Autónoma de Nuevo León
Facultad de Ciencias Químicas
Ingeniería Química
Balance de Energía
Análisis de energía sobre la síntesis de nanotubos de TiO2
1 de diciembre del 2016. | Ciudad Universitaria, Nuevo León
Introducción

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En las últimas dos décadas se han encontrado las diversas aplicaciones de los
nanomateriales, con áreas de gran importancia como medicina, farmacia, industria
automotriz, ingeniería ambiental, bioseguridad, industria de telecomunicaciones y
en la industria química. Dos áreas donde más se han utilizado los nanomateriales
han hecho un avance notable para la investigación de catálisis y polímeros.
El Dióxido de Titanio, actualmente es uno de los materiales con excelentes
propiedades, teniendo bajos costos de elaboración y un amplio campo de estudio.
Existen diversos nanomateriales de TiO2 como nanopartículas, nanocables y
nanotubos. [1 ]
Los nanotubos de TiO2 tiene una morfología mesoporosa y con una alta superficie
específica, lo que hace más fácil la adsorción de los reactivos en sitios activos de
superficie. [2 ] Uno de los métodos para la producción o formación de las
nanoestructuras de titanio, es el método hidrotermal alcalino con el cual es posible
obtener diferentes morfologías de una manera controlada.
El método para la síntesis se realiza actualmente bajo la supervisión del Dr. Gerardo
Escamilla en el Laboratorio de Físico Química, ubicado en el área de Posgrado de la
Facultad deCiencias Químicas, UANL. El cual se basa en pesar 2.67 g de TiO2 y40.12
g de NaOH, el NaOH se mezcla con 100 ml de agua desionizada. Posteriormente, el
dióxido de titanio se mezcla con la solución de hidróxido de sodio y se vierte en un
recipiente metálico aislado y bien cerrado y se comienza a agitar; durando esta
agitación un tiempo de 48 horas. La mezcla tiene una temperatura inicial de
aproximadamente 25 °C y se calienta hasta 120°C por medio de una resistencia la
cual es controlada con un regulador de temperatura. Al alcanzar esta temperatura,
se mantiene constante ésta durante los dos días de duración del proceso. Al pasar 48
horas, se detiene la agitación y se deja enfriar el recipiente, para después transferir
la mezcla a un vaso de precipitados.
Luego, la mezcla se coloca en un embudo Büchner para filtrar y lavar con agua
desionizada (para disminuir su pH hasta 7) el dióxido de titanio al vacío. Una vez
filtrado y lavado, el dióxido de titanio se introduce en un horno donde es secado a
110°C durante 24 horas.
Una vez detallado el sistema, es importante saber que el sistema es aislado, esto
quiere decir que, no hay transferencia de masa ni de energía. La pared que rodea al
sistema es impermeable.
Variables del proceso
Dentro del proceso las variables que se conocen son:
- Composición: Es una propiedad intensiva, tanto cualitativa y cuantitativa de
los componentes del sistema expresándose de diferentes formas, como:
fracción peso, fracción masa, fracción volumen, fracción mol y fracción
átomo.

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- Temperatura: Que es una variable intensiva, que se relaciona con la energía
interna de las substancias. Esta energía no se puede medir hasta ahora, pero
con la temperatura se determina las propiedades que dependen de ella
experimentalmente.
Ecuación de balance de materia
Se mencionó previamente que el sistema es aislado, no hay transferencia de masa ni
de energía
Dando como balance de materia lo siguiente:
1 2 3m m m  [1]
m1 = Entrada de masa de TiO2
m2 = Entrada de masa de NaOH diluida en H2 O
m3 = Salida de los nanotubos de TiO2
Ecuación de balance de energía
Para un sistema aislado ideal, es teórico porque requiere de una frontera física que
sea aislante perfecto y no existe. Por lo tanto, un aproximado es un recipiente
“térmico”.
Con la ecuación general de balance de energía
2( ) 1
[( ) ]
2
d mU
U PV v gz m Q W
dt
       [2]
Teniendo en cuenta el tipo de sistema, la ecuación nos queda de la siguiente manera
H Q W   [3]
Desglosándose la ecuación
, , , ,i salida i salida i entrada i entradam H m H Q W    [4]
H Cp T  [5]
Donde:
W= Es el trabajo realizado por el termopar y del agitador.
Q= es el calor de la resistencia
H= Es la entalpía de los componentes del sistema

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m= la masa de entrada y salida de los componentes del sistema
Diagrama de flujo
Medición experimental de las variables
𝐶𝑝 𝑇𝑖𝑂2 = 55
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
𝐶𝑝 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 52.576
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
𝐶𝑝 𝑁𝑎2𝑇𝑖𝑂3 = 62
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
𝐶𝑝 𝐻2𝑂 == 75.34
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
T=130°C
Cálculos de balance de materia y energía
m1 +m2 =m3 m3 =42.87g
-Balance de materia por especie de Ti
x1 m1 +x2 m2 =x3 m3 (Como en la entrada 2 no hay Ti se hace cero)
x1 m1 =x3 m3 Sustituyendo (1) (2.67g) = (x3 ) (42.87g) x3 Na2 TiO3 =0.0623
x3 H2 O=1-0.0623 x3 H2 O=0.9377
-Balance de Energía
, , , ,i salida i salida i entrada i entradam H m H Q W    [4]
m3 Na2TiO3 = 2.67g 𝐶𝑝 𝑁𝑎2𝑇𝑖𝑂3 = 62
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
; m3 H2O = 40.2g 𝐶𝑝 𝐻2𝑂 =
75.34
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
n3 Na2TiO3 = 0.0188mol n3 H2O = 2.233mol
m1 TiO2 = 2.67 g 𝐶𝑝 𝑇𝑖𝑂2 = 55
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
; n1 TiO2 = 0.0334mol
m2 NaOH = 40.2g; C𝑝 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 52.576
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
n2 NaOH = 1mol

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Despejando el calor Q de la ecuación [4] y usando la ecuación [5]:
, , , ,( )i salida i salida i entrada i entradaQ m H m H W   
ΔH (NaTiO2 )= (0.0188 mol)(62
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
)(130 °C)
ΔH (H2 O)= (2.233 mol)(75.34
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
)(130 °C)
ΔH (TiO2 )= (0.0334 mol)(55
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
)(130 °C)
ΔH (NaOH)= (1 mol)(52.57
𝐽
𝑚𝑜𝑙 °𝐶
)(130 °C)
El trabajo realizado por el agitador
W=(800
𝐽
𝑠
+ 65000
𝐽
𝑠
) 216,000s = 1.42128e10 J
Sustituyendo datos en la ecuación [4]
Q= 14948.2866J -14,212,800,000 J = -14,212,785,202 J
Q=-3947.7 kWh
Alcances del proyecto
Los alcances o limitaciones que se tuvieron dentro de este proyecto
- No se tomó en cuenta el producto de la síntesis, ya que no absorbe o libera
energía
Discusión de resultados
Como esun proceso cerrado la materia que entrasale por completo, el proceso indica
que es adiabático, el calor que estamos considerando al final es el de la resistencia.
El trabajo que se genera por el agitador hace que tenga más impacto en el balance de
energía, a diferencia de la entalpía de los reactivos que es mucho menor.
Impacto ambiental
El calor que se genera de 3947.7 kWh son aproximadamente 714 kg de CO2 , se puede
considerar como una cantidad “pequeña” de dióxido de carbono a diferencia de
cualquier otro proceso que, si esté en la industria, ya que la síntesis se considera
como un micro-proceso. Teniendo en cuenta los kg de CO2 , de una manera en que se

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pueda apreciar más o entender mejor, es equivalente a 80.3 galones de gasolina
consumida o 25 lámparas incandescentes encendidas a la vez. Viéndose en este
aspecto, el calor que se genera, si es preocupante, ya que, sea una cantidad grande o
pequeña, de cualquier forma, contamina.
Conclusión
Referencias
1. Almanza-Nuñez, M. G., A. Almendárez-Camarillo, G. M. Martínez-González,
J. F. Louvier-Hernandez y J. C. Fierro-González (2011), “Síntesis,
caracterización y aplicaciones de nanomateriales en catálisis y polímeros”.
2. Lección 32. Balances de energía para sistemas cerrados. (2016).
Datateca.unad.edu.co. Retrieved 4 November 2016, from
http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358081/ContenidoLinea/leccin_32_bala
nces_de_energa_para_sistemas_cerrados.html
3. Cabrera, J., López, A., Vílchez, R., Alarcón, H., & Rodríguez, J. (2016).
Nanoestructuras mesoporosas 1D de TiO2 obtenidas por el método hidrotermal.
Scielo.org.pe. Retrieved 4 November 2016, from
http://www.scielo.org.pe/scielo.php?pid=S1810-
634X2014000400005&script=sci_arttext
4. Lozano-Morales, S., Pérez-Larios, A., Guzmán-Mendoza, J., Navarro-Cerón, E., &
Sánchez-Espindola, M. Síntesis y Aplicación Fotocatalítica de Nanotubos de TiO2
Preparados por el Método Hidrotermal Alcalino (1st ed.). México D.F. Retrieved
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http://www.ceiich.unam.mx/nanomex2011/MemoriasNanomex/aplicaciones%20p
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5. .:. Resistencias Eléctricas - Hornos Industriales y Quemadores Hinra S.A.C .:.
(2016). Hinrasac.com. Retrieved 25 November 2016, from
http://hinrasac.com/R4/productos.html